DE102014225715A1

DE102014225715A1 - Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014225715A1
Application number: DE102014225715.8A
Authority: DE
Inventors: Yong Gyu Noh; Hyun Yoo Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-12-17
Also published as: KR101535026B1; US10026976B2; US20150364779A1

Abstract

Ein Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem ist vorgesehen, um die Befeuchtungsleistung einer Hohlfaser zu verbessern, was eine Gasströmung innerhalb eines Membranmoduls, in welches rohrseitige Luft und feuchte Luft eingeführt werden, verbessert. Der Befeuchter umfasst ein Membranmodul, in dem Hohlfasern innerhalb eines Gehäuses in einer Bündelform befestigt sind, und einen ersten Verteiler und einen zweiten Verteiler, die jeweils an beiden Enden des Gehäuses montiert sind. Eine Innenseite des Membranmoduls umfasst ein rohrseitiges Luftzufuhrrohr, das eine Gasströmung in der gleichen Richtung wie die Hohlfaser bildet, und eine Seite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs umfasst zumindest einen Feuchtluft-Pumpteil, der eingerichtet ist, um feuchte Luft, die in einer Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs strömt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit und einem Strömungsdruck der rohrseitigen Luft anzusaugen.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchter (Befeuchtungsvorrichtung) für ein Brennstoffzellensystem unter Verwendung von feuchter Luft, die von einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels abgeführt wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, der in der Lage ist, rohrseitige Luft, die an einen Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, effizienter zu befeuchten, um in einem hochfeuchten Zustand zugeführt zu werden.
(b) Stand der Technik
Als ein Beispiel einer Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cell – PEMFC), die hauptsächlich als eine Energie versorgungsquelle zum Antreiben eines Fahrzeugs untersucht worden ist, eingerichtet, dass sie eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly – MEA), in der Elektrodenschichten, in denen eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff bewirkt wird, an beiden Seiten einer Elektrolytmembran angebracht sind, zu der sich Protonen bewegen, eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), die dazu dient, um Reaktionsgase gleichmäßig zu verteilen und erzeugte elektrische Energie zu übertragen, und eine Bipolarplatte, die die Reaktionsgase und Kühlwasser bewegt, umfasst.
In der Brennstoffzelle werden Wasserstoff (beispielsweise Brennstoff) und Sauerstoff (beispielsweise Luft, ein Oxidationsmittel) jeweils an eine Anode und eine Kathode, die die Elektrodenschichten der Membranelektrodenanordnung darstellen, durch einen Kanal der Bipolarplatte zugeführt, in dem der Wasserstoff an die Anode zugeführt wird und der Sauerstoff (Luft) an die Kathode zugeführt wird. Der an die Anode zugeführte Wasserstoff wird in Protonen (H⁺) und Elektronen (e^–) durch einen Katalysator der Elektrodenschicht zersetzt. Ferner wandern nur die Protonen wahlweise durch die Elektrolytmembran (beispielsweise eine Kationenaustauschmembran) und werden dann an die Kathode übertragen, und gleichzeitig werden die Elektronen an die Kathode durch die Gasdiffusionsschicht und die Bipolarplatte, die ein Leiter ist, übertragen.
In der Kathode wird eine Reaktion zum Erzeugen von Wasser durch Zusammentreffen des durch die Elektrolytmembran zugeführten Protons und des durch die Bipolarplatte übertragenen Elektrons mit dem Sauerstoff in der an die Kathode zugeführten Luft durch eine Luftversorgungsvorrichtung bewirkt. Insbesondere wird ein Fluss von Elektronen durch eine externe Leitung aufgrund der Bewegung des erzeugten Protons erzeugt und wird ein Strom aufgrund des Flusses von Elektronen erzeugt.
Unterdessen ist für einen Betrieb der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle zwangsläufig Feuchtigkeit notwendig. Demzufolge muss die an die Brennstoffzelle zugeführte Luft durch einen Befeuchter befeuchtet werden. Ein Sprudelbefeuchter (Bubbler), ein Adsorber-Typ und dergleichen stellen verschiedene Arten von Befeuchtern dar, die verwendet werden. Da jedoch ein Brennstoffzellenfahrzeug eine Baugrößenbeschränkung aufweist, ist ein Membranbefeuchter mit einem relativ verringerten Volumen zur Anwendung gekommen. Der Membranbefeuchter hat einen Vorteil in Bezug auf die Baugröße und dass keine spezielle elektrische Energie benötigt wird.
1 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Zustand darstellt, in dem Luft durch einen gewöhnlichen Befeuchter (Membranbefeuchter) für eine Brennstoffzelle befeuchtet wird. Wie in 1 dargestellt, wird rohrseitige Außenluft durch ein Luftgebläse 1 zwangseingeblasen und strömt durch den Membranbefeuchter 10. Insbesondere strömt übersättigte feuchte Luft mit von einem Auslass eines Brennstoffzellenstapels 20 abgeführtem Wasser durch den Membranbefeuchter 10, um einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen der übersättigten feuchten Luft und der rohrseitigen Luft vorzusehen, um die rohrseitige Luft zu befeuchten, wobei die befeuchtete Luft an den Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
Insbesondere wird von der Kathode des Stapels 20 Wasser erzeugt und wird in einem Dampf-(oder Tröpfchen)Zustand zusammen mit Luft, die keine Reaktion eingegangen ist, abgeführt, und der Membranbefeuchter 10 ist eingerichtet, um einen Feuchtigkeitsaustausch und einen Wärmeaustausch durchzuführen, um Luft mit einer im Wesentlichen hohen Feuchtigkeit relativ zu dem Stapel 20 zuzuführen. Die Feuchtigkeit der an den Stapel 20 zugeführten Luft ist eine empfindliche Betriebsvariable, die eine Leistung und Haltbarkeit der Brennstoffzelle bestimmt. Wie in 1 dargestellt, um eine Betriebscharakteristik zu verbessern, finden eine Bypassleitung 2, die eingerichtet ist, um den Membranbefeuchter 10 zu umgehen, und ein Ventil 3 eine Anwendung auf der Grundlage von Betriebsbedingungen.
Ein gewöhnlicher Membranbefeuchter, der ein Gas-Gas-Membranbefeuchter unter Verwendung von Hohlfasern ist, kann eine hohe Integration der einen großen Kontaktflächenbereich aufweisenden Hohlfasern realisieren, um den Brennstoffzellenstapel innerhalb eines minimalen Rauminhaltes ausreichend zu befeuchten, und gewinnt Feuchtigkeit und Wärme, die in dem Gas enthalten sind, das bei einer erhöhten Temperatur von dem Brennstoffzellenstapel durch den Membranbefeuchter abgeführt wird, zurück und verwendet diese wieder, wodurch für die Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels erforderliche Feuchtigkeit und Energie separat eingespart werden.
Ein Feuchtigkeitsgehalt kann durch Zuführen von Feuchtigkeit einer vorgegebenen Menge oder mehr an einen Ionomer der Elektrolytmembran und eine Katalysatorschicht der Membranelektrodenanordnung, die Kernkomponenten der Brennstoffzelle darstellen, aufrechterhalten werden, um die Leistung der Ionenleitfähigkeit, die durch die Elektrolytmembran und den Ionomer durchgeführt wird, zu verbessern. Hierin ist der Membranbefeuchter eingerichtet, um die Feuchtigkeit und die Wärme, die in dem Gas umfasst sind, das bei der erhöhten Temperatur von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, an trockenes Reaktionsgas bei einer normalen Temperatur (z. B. eine Temperatur, die nicht erhöht ist) zuzuführen, das an den Brennstoffzellenstapel durch eine Oberfläche der Membran zugeführt wird, um den Brennstoffzellenstapel zu befeuchten und um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten.
Im Folgenden wird ein Aufbau des gewöhnlichen Membranbefeuchter im Detail beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen zeigt 2 eine beispielhafte Schnittdarstellung, die schematisch einen gewöhnlichen Membranbefeuchter darstellt, und 3 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 2. Wie in 2 und 3 dargestellt, umfasst der gewöhnliche Membranbefeuchter ein Verteilerrohr mit Lufteinlässen 11 und 12 und Luftauslässen 13 und 14 und innerhalb des Verteilerrohrs 15 befestigten Hohlfasern, wobei die Hohlfasern 16 an dem Verteilerrohr durch einen Kunststoff, wie beispielsweise Polyurethan, angebracht und befestigt werden können.
Insbesondere ist die Hohlfaser 16 in einer Mehrzahl vorgesehen und ist in einer Bündelform dicht eingelassen. Beide Enden eines Bündels 17 von Hohlfasern sind fest mit einem innerhalb des Verteilerrohrs 15 angeordneten Vergussteil 18 verbunden und somit ist das Bündel 17 von Hohlfasern innerhalb des Verteilerrohrs 15 befestigt. Der Membranbefeuchter 10 ist eingerichtet, um einen Wärme- und Wasseraustausch zwischen rohrseitiger Luft und überbefeuchteter Luft in den Hohlfasern 16 durchzuführen. Insbesondere erhöht die Gleichförmigkeit einer Gasströmung die Befeuchtungsleistung des Befeuchters. Allerdings weist die rohrseitige Luft eine im Wesentlichen sehr gleichmäßige Strömungscharakteristik auf, aber die Gleichmäßigkeit einer Strömung kann in einem mantelseitigen Raum eines Abschnitts des Befeuchters, in dem die überbefeuchtete Luft strömt, die Feuchtigkeit zuführt, nicht aufrechterhalten werden, da ein leerer Raum in einem äußeren Bereich des Verteilerrohrs aufgrund eines Fehlens der Hohlfaser gebildet wird.
Mit anderen Worten strömt die Hochtemperatur-Feuchtluft (z. B. überbefeuchtete Luft) entlang eines Weges mit dem geringsten Widerstand und ein im Wesentlichen zentraler/mittlerer Abschnitt des Befeuchters 10 ist dicht mit den Hohlfasern 16 versehen, und somit kann es schwierig werden, dass die die überbefeuchtete Luft, die eine beträchtliche Menge an Feuchtigkeit enthält, den im Wesentlichen zentralen Abschnitt des Befeuchters 10 erreicht, und der größte Teil der überbefeuchteten Luft strömt in einen Raum der Mantelseite des Abschnitts des Befeuchters. Demzufolge weist die in dem Raum der Mantelseite des Befeuchters 10 angeordnete Hohlfaser einen geringen Beitrag zur Befeuchtung auf und die im Äußeren des Befeuchters 10 strömende überbefeuchtete Luft weist die verringerte Temperatur aufgrund einer Wärmeübertragung an die Außenseite auf und wird zu Wasser kondensiert, so dass eine Befeuchtungswirkung weiter verringert werden kann.
Um die Problematik des bestehenden Membranbefeuchters zu verbessern, ist ein Membranbefeuchter für ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein Ventil zum Öffnen und Schließen eines Kanals angewendet wird, entwickelt worden. In den beigefügten Zeichnungen zeigt 4 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm, das schematisch den bestehenden Membranbefeuchter für ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Ventil zum Öffnen und Schließen eines Kanals angewendet wird, darstellt, und 5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Betriebszustand in Abhängigkeit von einem Leistungsabschnitt des Membranbefeuchters für ein Brennstoffzellensystem darstellt.
Wie in 4 dargestellt, umfasst der bestehende Membranbefeuchter 10 für eine Brennstoffzelle ein Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals an einem hinteren Ende des Bündels 17 von Hohlfasern neben dem Befeuchtungs-Luftauslass 14, durch welchen die Befeuchtungsluft, die an den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, abgeführt wird. Insbesondere ist das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals stoffschlüssig/integral an einem distalen Ende eines rohrseitigen Luftzuführrohrs 21 angeordnet, das eine Außenseite und einen im Wesentlichen zentralen Abschnitt des Bündels von Hohlfasern aufteilt/partitioniert, und beide Enden des rohrseitigen Luftzuführrohrs 21 sind durch das Vergussteil 18 innerhalb des Verteilerrohr 15 fest abgestützt. Mit anderen Worten ist das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals fest an dem Vergussteil 18 innerhalb des Verteilerrohrs 15 angebracht.
Wie oben beschrieben, für den gewöhnlichen Membranbefeuchter, da die rohrseitige Luft hauptsächlich in den zentralen Abschnitt des Bündels von Hohlfasern strömt und die feuchte Luft (oder überbefeuchtete Luft) hauptsächlich in das Äußere des Bündels von Hohlfasern strömt, und wie in 4 dargestellt, wird das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals bei dem zentralen Abschnitt des Bündels 17 von Hohlfasern innerhalb des Membranbefeuchters 10 angewendet, um ein Verteilungsproblem der rohrseitigen Luft und der feuchten Luft zu lösen. Insbesondere wird als das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals ein Ventil verwendet, das betätigt wird, um bei einem vorgegebenen Druck oder größer geöffnet zu werden.
Demzufolge wird das Ventil in einer Bedingung mit einem geringen Durchsatz (z. B. Niedrigleistungsbedingung) geschlossen, um zu bewirken, dass die rohrseitige Luft, die von dem Luftgebläse 1 zugeführt wird, in den äußeren Bereich des Bündels 17 von Hohlfasern strömt, um hauptsächlich das Äußere des Membranbefeuchters 10 zu befeuchten, und wenn ein Durchsatz (Leistung) erhöht wird, wird ein Druck erhöht und somit wird das Ventil 19 langsam geöffnet, um zu bewirken, dass die rohrseitige Luft durch das gesamte Bündel 17 von Hohlfasern strömt, um den gesamten Abschnitt des Membranbefeuchters zu befeuchten. Folglich findet das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals eine Anwendung, um die Befeuchtungsleistung (z. B. Effizienz) des Membranbefeuchters zu erhöhen.
Jedoch kann es in dem bestehenden Membranbefeuchter 10, der das Ventil 19 zum Öffnen und Schließen eines Kanals übernimmt, schwierig sein, das Ventil an dem Vergussteil 18 anzubringen, an dem das Bündel 17 von Hohlfasern befestigt ist, eine Struktur des Membranbefeuchters 10 ist komplex und es kann schwierig sein, eine Auslegung für das Öffnen und Schließen des Ventils zu bestimmen oder zu steuern.
Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem bereit, der die Befeuchtungsleistung einer Hohlfaser und die Stromerzeugungseffizienz und Haltbarkeit eines Brennstoffzellenstapels durch Verbessern einer Gasströmung innerhalb eines Membranmoduls, in welches rohrseitige Luft und feuchte Luft eingeführt werden, verbessern kann.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem bereit, der umfassen kann: ein Membranmodul, in welchem Hohlfasern innerhalb eines Gehäuses in einer Bündelform befestigt sein können; und einen ersten Verteiler und einen zweiten Verteiler, die jeweils an beiden Enden des Gehäuses montiert sind, wobei eine Innenseite (Inneres) des Membranmoduls ein rohrseitiges Luftzufuhrrohr, das eingerichtet ist, um eine Gasströmung in der gleichen Richtung wie die Hohlfaser zu bilden, umfassen kann, und eine Seite (z. B. eine erste Seite) des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs zumindest einen Feuchtluft-Pumpteil umfasst, der eingerichtet ist, um feuchte Luft, die zu einer Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs strömt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit und einem Strömungsdruck der rohrseitigen Luft anzusaugen, um die Befeuchtungsleistung der Befeuchtungsluft, die an einen Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, zu erhöhen.
Da der Feuchtluft-Pumpteil die von der Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs strömende feuchte Luft ansaugt, kann der Feuchtluft-Pumpteil zu einer Strömung von feuchter Luft in einer radialen Richtung innerhalb des Membranmoduls führen und zu einem Vermischen der rohrseitigen Luft, die in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr strömt, mit der angesaugten feuchten Luft führen. Der Feuchtluft-Pumpteil kann durch Übernehmen einer einzelnen Ejektorstruktur/Ausstoßstruktur gebildet sein oder durch Übernehmen einer mehrstufigen Ejektorstruktur, die durch serielles Verbinden einer Mehrzahl von Ejektoren in einer Mehrfachstufe gebildet wird, gebildet sein.
Der Feuchtluft-Pumpteil kann eine Venturirohrstruktur umfassen, beispielsweise kann der Feuchtluft-Pumpteil eine Venturirohrstruktur umfassen und kann aufweisen einen Teil mit einem minimalen Durchmesser (z. B. mit einem ersten Durchmesser), der im Wesentlichen an einer Mitte desselben angeordnet ist, und Teile mit großem Durchmesser (z. B. mit einem zweiten Durchmesser, wobei der zweite Durchmesser größer als der erste Durchmesser ist), die an einer linken und einer rechten Seite des Teils mit minimalem Durchmesser einstückig gebildet/angeformt sind und die Gasströmung in der gleichen Richtung wie das rohrseitige Luftzufuhrrohr bilden, wobei eine Fläche/Oberfläche des Teils mit minimalem Durchmesser eine Mehrzahl von Einführungsöffnungen zum Einführen der feuchten Luft umfassen kann.
Der Feuchtluft-Pumpteil kann an einem hinteren Ende des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs angebracht sein, so dass er nahe an einem in dem ersten Verteiler angebrachten Feuchtlufteinlass angeordnet ist (z. B. dass er dazu benachbart ist). Das rohrseitige Luftzufuhrrohr kann im Wesentlichen an einer Mitte bezogen auf einen Durchmesser des Membranmoduls angeordnet sein oder exzentrisch zu einer Seite bezogen auf einen Durchmesser des Membranmoduls angeordnet sein oder kann mehrteilig gebildet sein, um derart angeordnet zu werden, um innerhalb des Membranmoduls voneinander beabstandet zu sein. Das rohrseitige Luftzufuhrrohr kann exzentrisch zu/an einer Seite bezogen auf eine Durchmesser des Membranmoduls angeordnet sein und kann nahe an einem Feuchtlufteinlass angeordnet sein.
Das Membranmodul kann einen an einem Innendurchmesser des Gehäuses angebrachten Rohrträger umfassen, um das rohrseitige Luftzufuhrrohr zu tragen/lagern. In dem Membranmodul kann ein erster Verteiler mit einem Ende (z. B. ein erstes Ende) des Gehäuses über einen Verteiler gekoppelt sein und die Größen einer Mehrzahl von Öffnungen, die entlang einer Umfangsrichtung des Verteilers gebildet sind, können auf der Grundlage einer Lagebeziehung zwischen dem Feuchtluft-Pumpteil und einem in einem ersten Verteiler angebrachten Feuchtlufteinlass unterschiedlich gebildet sein.
In dem Membranmodul kann ein erster Verteiler mit einem Ende des Gehäuses über einen Verteiler gekoppelt sein und eine zu dem Feuchtluft-Pumpteil und der in dem ersten Verteiler angebrachten Feuchtluftöffnung nächstgelegene Öffnung unter einer Mehrzahl von Öffnungen, die entlang einer Umfangsrichtung des Verteilers gebildet sind, kann derart gebildet sein, dass sie größer als die anderen Öffnungen ist. Die Innenseite des Membranmoduls kann ein erstes rohrseitiges Luftzufuhrrohr mit einem ersten Feuchtluft-Pumpteil und ein zweites rohrseitiges Luftzufuhrrohr mit einem zweiten Feuchtluft-Pumpteil umfassen, und ein Rückschlagventil kann in dem ersten rohrseitigen Luftzufuhrrohr, in dem der erste Feuchtluft-Pumpteil mit einer verbesserten Leistung unter dem ersten und dem zweiten Feuchtluft-Pumpteil angebracht werden kann, um einen Betrieb des ersten Feuchtluft-Pumpteils automatisch zu steuern/regeln, angebracht sein.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem die Gasströmung innerhalb des Membranmoduls, in dem die Hohlfasern in der Bündelform befestigt sein können, verbessern, um die Befeuchtungsleistung der Hohlfasern und die Feuchtigkeit der rohrseitigen Luft zu erhöhen, wodurch die Stromerzeugungseffizienz und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels erhöht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
1 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Zustand darstellt, in dem an einen Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft unter Verwendung eines gewöhnlichen Befeuchters für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik befeuchtet wird;
2 eine beispielhafte Schnittdarstellung, die schematisch einen gewöhnlichen Membranbefeuchter gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3 eine beispielhafte Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 2 gemäß dem Stand der Technik;
4 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm, das schematisch einen Membranbefeuchter für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik darstellt, bei dem ein Ventil zum Öffnen und Schließen eines Kanals eine Anwendung findet;
5 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Betriebsablauf in Abhängigkeit von einem Leistungsabschnitt des Membranbefeuchters für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik darstellt;
6 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 eine beispielhafte Schnittdarstellung entlang der Linie A-A und A'-A' von 6 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Membranbefeuchter, der eine mehrstufige Ejektorstruktur übernimmt, als das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
9 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Membranbefeuchter, der eine Venturirohrstruktur übernimmt, als das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 9 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Zustand, in dem Positionen und die Anzahl von rohrseitigen Luftzufuhrrohren verschiedenartig geändert sind, als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
12 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Membranbefeuchter, in dem eine Öffnungsgröße eines Verteilers verbessert ist, als das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
13 ein Diagramm, das schematisch ein Stapel-Luftsteuersystem unter Verwendung des Membranbefeuchters gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
14 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch den Membranbefeuchter, in dem ein Rückschlagventil in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr angebracht ist, als das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen einen Bezug auf die folgenden Elemente, wie sie weiter unten erläutert werden.
Bezugszeichenliste

100: Membranbefeuchter
110: Membranmodul
111: Gehäuse
112: Hohlfaser
113, 114: Verteiler
115: Vergussteil
116: Rohrseitiges Luftzufuhrrohr
117: Rohrträger
120: Erster Verteiler
121: Feuchtlufteinlass
122: Befeuchtungsluftauslass
130: Zweiter Verteiler
131: Rohrseitiger Luftauslass
132: Rohrseitiger Lufteinlass
140, 140-1, 140-2, 140-3: Feuchtluft-Pumpteil
141: Düsenteil
142: Ansaugteil
143: Mischteil
144: Diffusor
145: Teil mit kleinem Durchmesser
146, 147: Teil mit großem Durchmesser
149: Rückschlagventil

Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt. In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Offenbarung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, 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.
Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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.
Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele derselben in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Erfindung auf jene Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsbeispiele abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Erfindung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben, so dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, die vorliegende Erfindung ohne Umstände ausführen kann.
Ein Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann einen Membranbefeuchter 100, der eingerichtet ist, um rohrseitige Luft durch ein Verfahren zum Übertragen von Feuchtigkeit durch Hohlfasern zu befeuchten und um die befeuchtete rohrseitige Luft an einen Brennstoffzellenstapel zuzuführen, umfassen. Wie in 6 dargestellt, kann der Membranbefeuchter 100 ein Membranmodul 110, in dem Hohlfasern 112 innerhalb eines Gehäuses 111 befestigt werden können, und einen ersten Verteiler 120 und einen zweiten Verteiler 130, die jeweils an beiden Enden des Gehäuses 111 des Membranmoduls 110 montiert sind, umfassen.
Insbesondere können der erste und der zweite Verteiler 120 und 130 mit dem Gehäuse 111 über Verteiler 113 und 114, die jeweils mit beiden Enden des Gehäuses 111 verbunden/verklebt sind, gekoppelt sein. Der erste Verteiler 120 kann einen Feuchtlufteinlass 121 und einen Befeuchtungsluftauslass 122 umfassen, der zweite Verteiler 130 kann einen Feuchtluftauslass 131 und einen rohrseitigen Lufteinlass 132 umfassen, eine Innenseite des Gehäuses 111 des Membranmoduls 110 kann die Hohlfasern 112 in einer Bündelform umfassen, beide Enden des Bündels von Hohlfasern 112 können an beiden Enden des Gehäuses 111 durch Vergussteile 115 befestigt sein, um eine Position des Bündels von Hohlfasern 112 innerhalb des Gehäuses 111 zu fixieren. Die Vergussteile 115 können jeweils an beiden Enden des Gehäuses 111 angeordnet sein und können somit jeweils innerhalb des ersten und des zweiten Verteilers 120 und 130 angeordnet sein.
In dieser Konfiguration kann das Bündel von Hohlfasern 112 in einer Form gebildet sein, in der eine Hohlfaser eines im Wesentlichen zentralen Abschnitts bezogen auf einen Außendurchmesser eines Querschnitts des Befeuchters entfernt werden kann, und das Bündel von Hohlfasern 112 kann durch Verbinden/Verkleben und Befestigen der Hohlfasern an einer Außenseite eines rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 gebildet sein, was unten beschrieben wird. Das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 kann eine Struktur aufweisen, durch welche die rohrseitige Luft in der gleichen Richtung wie die Hohlfasern 112 strömen kann, und kann sich beispielsweise in einer Gasströmungsrichtung der Hohlfasern 112 und in einer axialen Richtung des Membranmoduls 110 erstrecken und kann innerhalb des Membranmoduls 110 montiert sein, um eine Gasströmung in der gleichen Richtung wie die Hohlfaser 112 bereitzustellen.
Um einen Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom (z. B. Strahlstrom der rohrseitigen Luft) der rohrseitigen Luft innerhalb des Membranmoduls 110 zu bilden, kann ein Feuchtluft-Pumpteil 140 mit einer bekannten Ejektorstruktur oder eine bekannte Venturi-Rohrstruktur innerhalb des Membranmoduls 110 angeordnet sein. Im Allgemeinen weist ein im Wesentlichen zentraler/mittlerer Abschnitt des Bündels von Hohlfasern, in denen die rohrseitige Luft hauptsächlich strömt, eine größere Gasströmungsgeschwindigkeit als ein äußerer Bereich des Bündels von Hohlfasern auf, in denen die feuchte Luft hauptsächlich strömt, jedoch kann der Feuchtluft-Pumpteil 140 innerhalb des Membranmoduls 110 angebracht werden, um den Strahlstrom der rohrseitigen Luft mit einer größeren Geschwindigkeit als die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit der rohrseitigen Luft innerhalb des Membranmoduls (im Detail das rohrseitige Luftzufuhrrohr) durch eine aeromechanische Theorie auf der Grundlage eines Prinzips des Ejektors oder eines Prinzips des Venturi-Rohrs (Bernoulli-Prinzip) zu bilden.
Der Feuchtluft-Pumpteil 140 kann an einer Seite in einer Längsrichtung des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 angebracht sein, um die außerhalb des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 strömende feuchte Luft anzusaugen und um die feuchte Luft mit der innerhalb des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 strömenden rohrseitigen Luft zu vermischen, und kann wie in 6 dargestellt durch Anwenden der bekannten Ejektorstruktur gebildet werden. Der Feuchtluft-Pumpteil 140 kann eingerichtet sein, um die feuchte Luft, die von einer Seite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116, in dem die an das Membranmodul 110 zugeführte rohrseitige Luft in Richtung der Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 strömt, in das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 strömt, anzusaugen, um die Feuchtigkeit der rohrseitigen Luft zu erhöhen, wodurch eine Befeuchtungsrate der an den Brennstoffzellenstapel abgeführten Befeuchtungsluft erhöht wird.
Der Feuchtluft-Pumpteil 140 kann die bekannte Ejektorstruktur umfassen und kann zum Beispiel, wie in 6 dargestellt, einen Düsenteil 141, einen Ansaugteil 142, einen Mischteil 143 und einen Diffusor 144 umfassen. Der Düsenteil 141 kann mit einer Seite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 derart verbunden/verklebt werden, um mit demselben in Verbindung stehen zu können, so dass er einstückig mit einer Seite desselben verbunden ist, und kann somit mit der rohrseitigen Luft, die mit einer im Wesentlichen hohen Geschwindigkeit und einem im Wesentlichen hohen Druck durch das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 strömt, versorgt werden.
Der Ansaugteil 142 kann im Allgemeinen derart gebildet sein, so dass er einen größeren Durchmesser als ein maximaler Durchmesser des Düsenteils 141 aufweist, und kann mit dem Düsenteil 141 in einer Form, in der der Ansaugteil 142 eine äußere Umfangsfläche eines hinteren Endes des Düsenteils 141 umgibt, verklebt und verbunden werden, und eine Seite desselben kann eine Öffnung 142a umfassen, durch welche die feuchte Luft eingeführt werden kann. Der Ansaugteil 142 kann mit der rohrseitigen Luft, die von dem Düsenteil 141 abgeführt wird, versorgt werden. Insbesondere kann die feuchte Luft durch die Öffnung 142 durch den hohen Druck der rohrseitigen Luft, die von dem Düsenteil 141 abgeführt wird, angesaugt werden und kann in den Ansaugteil 142 eingeführt werden.
Der Mischteil 143 kann einstückig/integral zwischen einem distalen Ende des Ansaugteils 142 und einem vorderen Ende des Diffusors 144 gebildet sein und kann derart gebildet sein, so dass er einen kleineren Durchmesser als der des Ansaugteils 142 aufweist, um eine Gasdruck zu erhöhen, was zu einem Vermischen der eingeführten rohrseitigen Luft und der feuchten Luft führt. Demzufolge kann sich das Gas des Ansaugteils 142 mit einer im Wesentlichen hohen Geschwindigkeit durch Abführen der rohrseitigen Luft mit einem im Wesentlichen hohen Druck von dem Düsenteil 141 bewegen und kann somit an den Mischteil 143 abgeführt werden und gleichzeitig kann die feuchte Luft außerhalb des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 in den Ansaugteil 142 durch die Öffnung 142a angesaugt werden und kann dann in den Mischteil 143 eingeführt werden. Insbesondere können die rohrseitige Luft und die feuchte Luft, die sich zu dem Mischteil 143 bewegen, in dem Mischteil 143 vermischt werden, die sich wiederum zu dem Diffusor 144 bewegen. Der Diffusor 144 kann derart gebildet sein, so dass er einen Durchmesser aufweist, der in einer Längsrichtung allmählich/graduell zunimmt, und kann an einem distalen Ende des Mischteils 143 einstückig gebildet/angeformt sein und kann zu einer Diffusion der in dem Mischteil 143 gebildeten Befeuchtungsluft führen (z. B. rohrseitige Luft vermischt mit der feuchten Luft in dem Mischteil), um einen geeigneten Druck zu bilden, um an den Brennstoffzellenstapel zugeführt zu werden.
Unter Bezugnahme auf 7, da eine Strömungsgeschwindigkeit der rohrseitigen Luft, die bei einer hohen Geschwindigkeit und einem hohen Druck innerhalb des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 strömt, durch den Feuchtluft-Pumpteil 140 erhöht werden kann, um einen Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom zu bilden, kann die feuchte Luft, die in das Membranmodul 110 durch den Feuchtlufteinlass 121 zum Strömen in die Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 bei einer im Wesentlichen geringen Geschwindigkeit und einem im Wesentlichen geringen Druck eingeführt werden kann, in die rohrseitige Luftzufuhrrohr- 116 Seite eingeführt werden, um direkt mit der rohrseitigen Luft vermischt zu werden, wodurch die Befeuchtung der Befeuchtungsluft verbessert wird.
Die feuchte Luft kann in die rohrseitige Luftzufuhrrohr- 116 Seite eingeführt werden, um eine Bewegung der feuchten Luft in einer radialen Richtung zu verbessern, wodurch die Gleichförmigkeit der Gasströmung erhöht und die Befeuchtungsleistung der Hohlfasern 112 verbessert werden. Insbesondere kann die feuchte Luft (z. B. von einer Kathode des Stapels abgeführtes Gas) in das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116, in dem die rohrseitige Luft hauptsächlich strömt, angesaugt werden, um zu bewirken, dass die Strömung der feuchten Luft in dem Bündel von Hohlfasern 112, die außerhalb des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 angeordnet sind, gleichzeitig mit einem Erhöhen der Befeuchtungsleistung der rohrseitigen Luft, die in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 strömt, gleichförmiger wird, wodurch die Befeuchtungsleistung der rohrseitigen Luft durch einen Feuchtigkeitsaustausch der Hohlfasern 112 erhöht wird. Zusätzlich kann eine Größe (z. B. Durchmesser) des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 auf der Grundlage eines Packverhältnisses des Befeuchters, einer erforderlichen Recyclingmenge von feuchter Luft, einer Befeuchtungsleistung und einer Stapel-Feuchtigkeitszufuhr bestimmt werden.
Das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 kann durch einen Rohrträger 117, der an einem Innendurchmesser des Gehäuses 111 angebracht ist, gehalten werden, und dessen beide Enden können jeweils fest gelagert/abgestützt sein, indem sie an die Vergussteile 115 des Membranmoduls 110 angebracht oder in diese eingefügt sind. Eine Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 kann fest mit der Hohlfaser 112 verbunden/verklebt werden und somit kann das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 auch durch die Hohlfaser 112, die durch den Vergussteil 115 gelagert wird, gehalten/gelagert werden.
Der Rohrträger 117 kann an dem Innendurchmesser des Gehäuses 111 angebracht werden, um das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 zu lagern, um Schwingungen der Hohlfaser 112 während der Gasströmung bei einer im Wesentlichen hohen Leistung und einer im Wesentlichen hohen Strömungsgeschwindigkeit zu unterdrücken und um zu verhindern, dass sich die Hohlfasern während der Herstellung des Befeuchters verheddern. Die Strömungsgeschwindigkeit, die größer als an einem äußeren Bereich/Abschnitt des Bündels an Hohlfasern 112 ist, kann in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 gebildet werden, und wie oben beschrieben, kann ein Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom der rohrseitigen Luft durch den Feuchtluft-Pumpteil 140 gebildet werden.
Wie oben beschrieben, kann der Membranbefeuchter 100, der den Feuchtluft-Pumpteil 140 umfassen kann, eingerichtet sein, um Gas (z. B. feuchte Luft), das eine erhöhte Feuchtigkeit und Sauerstoff enthält, die von dem Stapel abgeführt werden, von der Außenseite des Bündels an Hohlfasern 112 zu pumpen und um das gepumpte Gas an den Stapel zuzuführen, wodurch die feuchte Luft wiederverwendet wird. Insbesondere kann die feuchte Luft, die von der Kathode des Stapels abgeführt wird, eine erhöhte Feuchtigkeit und Sauerstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, enthalten, um Luft wirksam wiederzuverwenden, wodurch die Leistung und die Haltbarkeit des Stapels verbessert werden. Der Membranbefeuchter 100 des Luft-Recycling-Typs kann eingerichtet sein, um Feuchtigkeit direkt an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen und um den Sauerstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wiederzuverwenden, wodurch eine erforderliche Luftmenge von einem Luftkompressor, der die rohrseitige Luft liefert, reduziert wird, und die Verwendung der teuren Hohlfaser kann reduziert werden, wodurch Kosten eingespart werden.
Unterdessen kann in der Membranbefeuchterstruktur, wie sie oben beschrieben wird, der Feuchtluft-Pumpteil 140 dem Feuchtlufteinlass 121, in dem die feuchte Luft von dem Brennstoffzellenstapel eingeführt werden kann, am nächsten angeordnet sein (z. B. benachbart zu). Insbesondere kann der Feuchtluft-Pumpteil 140 näher an dem Feuchtlufteinlass 121 als an einem mittigen Punkt in der Längsrichtung des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 angeordnet sein.
Unter Bezugnahme auf 6 kann das Feuchtluft-Pumpteil 140 an dem hinteren Ende des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116 angebracht sein, um nahe, das heißt, benachbart zu dem Feuchtlufteinlass 121 angeordnet zu sein, und kann insbesondere an einem unteren Abschnitt des Feuchtlufteinlasses 121 bezogen auf eine radiale Richtung angeordnet sein. Demzufolge kann der Feuchtluft-Pumpteil 140 nahe der Feuchtlufteinlass- 121 Seite angeordnet sein, um die Gasströmung einer Mantelseite des Membranmoduls 110 wie in Abschnitt A-A von 7 dargestellt zu dem zentralen Abschnitt/Bereich des Membranmoduls 110 zu führen, wodurch die Befeuchtungsleistung der Hohlfaser 112 erhöht wird.
Die Leistung und die Wirkung des oben beschriebenen Membranbefeuchters 100 kann durch einen angesaugten Durchsatz der feuchten Luft, die durch den Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom der rohrseitigen Luft gepumpt wird, beeinflusst werden, und kann durch einen Massendurchsatz der rohrseitigen Luft und ein Mitführungsverhältnis der wichtigen Variablen der angesaugten feuchten Luft in einer aeromechanischen Sichtweise und Variablen, wie beispielsweise eine Struktur des Befeuchters, die aerodynamische Leistung und Effizienz aufgrund einer geometrischen Form des Ejektors und einer Befeuchtungstemperatur und einem Befeuchtungsdruck beeinflusst werden.
Ein normaler Ejektor vom Einzeltyp kann eingerichtet sein, um einen hohen Unterdruck zu erzeugen, während ein mehrstufiger Ejektor eingerichtet sein kann, um einen im Wesentlichen niedrigen Unterdruck und einen wesentlichen Durchsatz zu pumpen. Mit anderen Worten kann der mehrstufige Ejektor ein erhöhtes Mitführungsverhältnis des angesaugten Gases aufweisen. Demzufolge kann als das Feuchtluft-Pumpteil 140 der mehrstufige Ejektor, der durch serielles Verbinden der Mehrzahl von Ejektoren in einer Mehrfachstufe gebildet ist, verwendet werden und somit kann die feuchte Luft in einem begrenzten Raum effizienter gepumpt werden.
Zum Beispiel kann als ein Feuchtluft-Pumpteil 140 ein Zweistufen-Ejektor, ein Dreistufen-Ejektor oder dergleichen verwendet werden und ein mehrstufiger serieller Ejektor, der durch serielles Verbinden der Mehrzahl von Ejektoren in einer Mehrfachstufe gebildet wird, stellt eine bekannte Technologie dar, und demzufolge kann eine ausführliche Beschreibung desselben weggelassen werden. Jedoch können unter Bezugnahme auf eine vergrößerte Ansicht von 8, für den Feuchtluft-Pumpteil 140-1, der als der mehrstufige Ejektor gebildet ist, ein Mischteil 143a und ein Diffusor 144a in einem dritten angeordneten Ejektor umfasst sein und zusätzlich können ein erster Ejektor und ein zweiter Ejektor Düsenteile 141a, 141b und 141c und Ansaugteile 142a, 142b und 142c umfassen.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt 9 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Membranbefeuchter mit einer Venturi-Rohrstruktur darstellt, und 10 zeigt eine beispielhafte schematische Schnittdarstellung entlang der Linie B-B von 9. Unter Bezugnahme auf 9, um den Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom der rohrseitigen Luft zu bilden, kann der Membranbefeuchter 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Feuchtluft-Pumpteil umfassen, bei dem ein Prinzip (Bernoulli-Prinzip) eines Venturi-Rohrs angewendet werden kann. Insbesondere kann ein Feuchtluft-Pumpteil 140-2 einstückig/integral mit dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 gebildet sein, und wie in 9 dargestellt, ist ein Durchmesser eines Abschnittes, der einer Position entspricht, an der die feuchte Luft angesaugt wird, das heißt, ein Durchmesser (z. B. Kanalquerschnittsfläche) einer Verjüngung/Einschnürung, an der das Prinzip des Venturi-Rohrs angewendet wird, von Bedeutung.
Demzufolge, wie in 9 und 10 dargestellt, kann der Feuchtluft-Pumpteil 140-2 derart eingerichtet sein, so dass der einen Teil 145 mit minimalem Durchmesser, der im Wesentlichen an einem Zentrum desselben angeordnet ist, und Teile 146 und 147 mit maximalem Durchmesser (z. B. ein Teil 145 mit minimalem Durchmesser) das einen ersten Durchmesser aufweist, der größer als ein zweiter Durchmesser eines Teils 146 oder 147 mit maximalem Durchmesser ist), die einstückig/integral an einer linken und rechten Seite des Teils 145 mit minimalem Durchmesser gebildet sein können, umfasst, und die Gasströmung in der gleichen Richtung wie das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 bilden. Insbesondere kann eine Fläche/Oberfläche des Teils 145 mit minimalem Durchmesser eine Mehrzahl von Einführungsöffnungen 145a umfassen, um die feuchte Luft, die in der Außenseite (z. B. Bündel an Hohlfasern 112) strömt, einzuführen, und die Teile 146 und 147 mit maximalem Durchmesser können derart gebildet sein, um mit dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 einstückig/integral verbunden zu werden.
Insbesondere kann die Einführungsöffnung 145a in Form einer kreisförmigen Öffnung oder in Form eines Längsschlitzes gebildet sein. Der Feuchtluft-Pumpteil 140-2 kann eingerichtet sein, um die Strömungsgeschwindigkeit der rohrseitigen Luft durch die Venturi-Rohrstruktur zu erhöhen, um den Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom zu erzeugen, um den Innendruck zu reduzieren, so dass er weniger als der Außendruck des Bündels von Hohlfasern 112 beträgt, wodurch die feuchte Luft in den Feuchtluft-Pumpteil 140-2 angesaugt wird. Insbesondere gibt es als wichtige Design-/Konstruktionsvariablen, die die Ansaugleistung der feuchten Luft steuern, einen Innendurchmesser des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs 116, einen Innendurchmesser des Teils 145 minimalem Durchmesser des Feuchtluft-Pumpteils 140-2, eine Länge des Feuchtluft-Pumpteils 140-2, eine Position des Teils 145 mit minimalem Durchmesser, die Temperatur und den Druck der Betriebsluft (rohrseitige Luft und feuchte Luft) und dergleichen.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt 11 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch einen Zustand darstellt, in dem Positionen und die Anzahl der rohrseitigen Luftzufuhrrohre geändert sind, und 12 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch ein Beispiel darstellt, in dem eine Größe eines Verteilers, der in dem Gehäuse für das Membranmodul gebildet ist, geändert und eingestellt wird.
In dem gewöhnlichen Membranbefeuchter können eine Eintritts- und Austrittsrichtung (z. B. Einlass- und Auslassrichtung) der rohrseitigen Luft und der feuchten Luft definiert werden und die Ströme der rohrseitigen Luft und der feuchten Luft können zueinander im Gegenstrom geführt sein und demzufolge kann es schwierig sein, die Gleichförmigkeit der Ströme beizubehalten. Ferner kann ein Packverhältnis der Hohlfasern wesentlich sein und demzufolge kann die Leistung der Mehrzahl von rohrseitigen Luftzufuhrrohren verbessert werden. Dementsprechend kann die Befeuchtungsleistung durch Ändern und Einstellen der Positionen und Anzahl der rohrseitigen Luftzufuhrrohre 116 verbessert werden. Unter Bezugnahme auf 11 kann zum Beispiel das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 im Wesentlichen an den Mittelpunkten des Bündels an Hohlfasern 112 und des Membranmoduls 110 angeordnet sein oder an einer Seite davon exzentrisch angeordnet sein, und kann mehrfach gebildet sein, um innerhalb des Bündels an Hohlfasern 112 und dem Membranmodul 110 voneinander beabstandet angeordnet zu sein. Insbesondere wenn das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 exzentrisch angeordnet werden kann und somit nahe (z. B. benachbart zu) dem Feuchtlufteinlass 121 angeordnet sein kann, kann ein Impuls (Momentum) der feuchten Luft aufrechterhalten werden und ein Druckverlust innerhalb des Befeuchters kann minimiert werden.
Wenn das rohrseitige Luftzufuhrrohr 116 bezogen auf die radiale Richtung exzentrisch und somit neben dem Feuchtlufteinlass 121 angeordnet ist, kann die Pumpfunktion der feuchten Luft verbessert werden, indem die Größe der Öffnung 113a des Verteilers 113, der in dem Membranmodul 110 gebildet ist, eingestellt wird. Zum Beispiel kann, wie in 2 dargestellt, die Öffnung des Verteilers 113, die dem Feuchtlufteinlass 121 und den Feuchtluft-Pumpteilen 140, 140-1 und 140-2 unter den Öffnungen 113a des Verteilers 113, der mit dem Gehäuse 11 des Membranmoduls 110 gekoppelt ist, am nächsten liegt, derart gebildet sein, so dass sie größer als die anderen Öffnungen ist, wodurch sie beim Pumpen der feuchten Luft unterstützt.
Wie in 10 dargestellt, kann das Membranmodul 110 Verteiler 113 und 114 umfassen, die jeweils mit beiden Enden des Gehäuses 111 gekoppelt sind, um beide Enden des Bündels an Hohlfasern 112 zu umschließen, und die Verteiler 113 und 114 können eine Mehrzahl von Öffnungen in einer Umfangsrichtung umfassen, um die Verteilung der feuchten Luft, die in das Membranmodul 110 eingeführt wird, zu verbessern. Demzufolge kann die durch den Feuchtlufteinlass 121 eingeführte feuchte Luft in das Membranmodul 110 durch die Öffnungen 113a des Verteilers 113 an einer Seite eingeführt werden und die sich durch das Bündel von Hohlfasern 112 innerhalb des Membranmoduls 110 bewegende feuchte Luft kann an die Außenseite des Membranmoduls 110 durch die Öffnungen des Verteilers 114 der anderen Seite abgeführt werden und dann an den Feuchtluftauslass 131 abgeführt werden.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt 13 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch ein Stapel-Luftsteuersystem unter Verwendung des Membranbefeuchters gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Im Allgemeinen kann der Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage von Bedingungen eines Versorgungsdrucks/Förderdrucks und eines Durchsatzes der Luft, eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft (Luft-SR) und einer Luftfeuchtigkeit betrieben werden. Die Bedingungen stellen Elemente dar, die während der Zufuhr von Luft an den Stapel gesteuert werden können und können insbesondere durch ein Abgassteuerventil, das eingerichtet ist, um einen Luftaustritt einzustellen, empfindlich gesteuert werden.
Zum Beispiel kann der Membranbefeuchter unter den Bedingungen effizient betrieben werden, in denen der Druck der an den Stapel zugeführten Luft erhöht wird und der Durchsatz minimal ist. Ähnlich dem Membranbefeuchter 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Befeuchter mit der Ejektorstruktur unter den Bedingungen empfindlicher gesteuert werden, da der Betrieb des Ejektors innerhalb des Befeuchters einem Druckunterschied zwischen dem Einlass und Auslass des Stapels ähnlich ist. Mit anderen Worten, wenn die Druckdifferenz des Stapels wesentlich ist, kann der erforderliche Pumpdruck des Ejektors weiter erhöht werden oder der Durchsatz eines Pumpens kann verringert werden, und die Recycling-Menge an Luft durch den Ejektor kann reduziert werden. Um den Betrieb des Stapels zu optimieren, sind eine Messung der Feuchtigkeit der an den Stapel zugeführten Luft, der Durchsatz der an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft, ein Druck eines Auslasses des Luftgebläses, die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und Auslass des Stapels, eine Zellspannung und dergleichen erforderlich, und falls notwendig, kann ein zuvor konfiguriertes Abbild/Kennfeld verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 13 umfasst ein beispielhaftes Stapel-Luftsteuersystem einen Drucksensor 31 und einen Durchflusssensor 32, die in einer rohrseitigen Luftversorgungsleitung 30 zwischen dem Luftgebläse 1 und dem Membranbefeuchter 100 angeordnet sind, einen Feuchtigkeitssensor 35, der in einer Gas-Luft-Versorgungsleitung 34 zwischen dem Membranbefeuchter 100 und dem Brennstoffzellenstapel 20 angebracht ist, ein Abgassteuerventil 38, das in einer Feuchtluft-Auslassleitung 37 des Membranbefeuchters 100 angebracht ist, und eine Steuerung 39, die eingerichtet ist, um Informationen, die von jedem der Sensoren 31, 32 und 35 empfangen werden, und einen Wert, der durch Überwachen der Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 20 erhalten wird, zu verwenden, um das Luftgebläse 1 und das Abgassteuerventil 38 zu betätigen.
In den beigefügten Zeichnungen zeigt 14 ein beispielhaftes Diagramm, das schematisch den Membranbefeuchter darstellt, in dem ein Rückschlagventil in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr angebracht sein kann. Wie in 14 dargestellt, wenn die Mehrzahl der rohrseitigen Luftzufuhrrohre 116 innerhalb des Membranmoduls 110 angebracht ist, kann ein Feuchtluft-Pumpteil 140-3 in jedem der rohrseitigen Luftzufuhrrohre 116 angebracht sein. Insbesondere kann ein Rückschlagventil 149 in einem der rohrseitigen Luftzufuhrrohre angebracht sein, um die Pumpleistung des Feuchtluft-Pumpteils 140-3 weiter zu verbessern.
Der normale Brennstoffzellenstapel kann durch einen Betriebsdruck eines normalen Drucks (z. B. ein vorgegebener Druck) betrieben werden und demzufolge kann die feuchte Luft, die von dem Stapel abgeführt wird, einen hohen Druck beibehalten, und die Rückführung und das Pumpen der feuchten Luft durch die Feuchtluft-Pumpteile 140, 140-1, 140-2 und 140-3 können unter der Hochdruckdifferenzbedingungen der Kathode des Stapels durchgeführt werden. Demzufolge, wie oben beschrieben, wenn das Rückschlagventil 149 in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 angebracht ist, kann das Rückschlagventil in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 angebracht sein, in dem ein erster Feuchtluft-Pumpteil (z. B. Hochleistungs-Feuchtluft-Pumpteil) 140' mit einer im Wesentlichen hohen Pumpleistung (z. B. ist die Größe des Düsenteils wesentlich, wenn die Ejektorstruktur verwendet wird) angebracht ist, so dass eine automatische Luftzufuhrsteuerung des ersten Feuchtluft-Pumpteils 140' und eines zweiten Feuchtluft-Pumpteils (z. B. Niedrigleistung-Feuchtluft-Pumpteil) 140'' durchgeführt werden können.
Zum Beispiel kann das erste Feuchtluft-Pumpteil 140' eingerichtet sein, um die feuchte Recyclingluft unter einer Betriebsbedingungen mit hoher Last (z. B. hohe Leistung) zu pumpen, und das zweite Feuchtluft-Pumpteil 140'' kann eingerichtet sein, um die feuchte Recyclingluft unter einer Betriebsbedingung mit geringer Last (z. B. niedrige Leistung) zu pumpen. Insbesondere kann das Rückschlagventil 149 in dem ersten rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 angebracht sein, in dem der erste Feuchtluft-Pumpteil 140 angebracht ist, um zu ermöglichen, dass die automatische Pumpensteuerung des ersten und des zweiten Feuchtluft-Pumpteils 140' und 140'' auf der Grundlage eines Öffnungs- und Schließzustandes des Rückschlagventils 149 durchgeführt werden kann. Der zweite Feuchtluft-Pumpteil 140'' kann in einem zweiten rohrseitigen Luftzufuhrrohr 116 angebracht sein.
Insbesondere wenn ein Differenzdruck der Mantelseite (z. B. Mantelseite des Bündels von Hohlfasern) des Membranmoduls kleiner als ein Öffnungsdruck des Rückschlagventils 149 ist, kann die feuchte Luft durch den zweiten Feuchtluft-Pumpteil 140'' gepumpt und zugeführt werden, und wenn eine Druckdifferenz der Mantelseite des Membranmoduls 110 größer als der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 149 ist, kann die feuchte Luft durch den ersten und den zweiten Feuchtluft-Pumpteil 140' und 140'' gepumpt und zugeführt werden.
Wenn das Rückschlagventil 149 geschlossen wird, um die Strömung der rohrseitigen Luft abzusperren, kann der erste Feuchtluft-Pumpteil 140' eingerichtet sein, um den Pumpbetrieb der feuchten Luft zu stoppen. Die Druckdifferenz kann eine Druckdifferenz zwischen dem Druck der feuchten Luft, die von der Kathode des Stapels abgeführt wird, und dem Druck der feuchten Luft, die in das Membranmodul 110 eingeführt wird, sein. Der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 149 kann auf der Grundlage der Design-/Konstruktionsbedingungen in geeigneter Weise definiert werden. Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung oben ausführlich beschrieben werden, ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Demzufolge gehören verschiedenste Änderungen und verbesserte Formen durch einen Durchschnittsfachmann unter Verwendung der grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen definiert werden, zu dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung.

Claims

Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: ein Membranmodul, in dem Hohlfasern innerhalb eines Gehäuses in einer Bündelform befestigt sind; und einen ersten Verteiler und einen zweiten Verteiler, die jeweils an beiden Enden des Gehäuses montiert sind, wobei eine Innenseite des Membranmoduls ein rohrseitiges Luftzufuhrrohr, das eine Gasströmung in der gleichen Richtung wie die Hohlfaser bildet, umfasst, und eine Seite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs zumindest einen Feuchtluft-Pumpteil umfasst, der eingerichtet ist, um feuchte Luft, die zu einer Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs strömt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit und einem Strömungsdruck der rohrseitigen Luft anzusaugen, um die Befeuchtungsleistung der Luft, die an einen Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, zu erhöhen.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, da der Feuchtluft-Pumpteil die in der Außenseite des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs strömende feuchte Luft ansaugt, führt der Feuchtluft-Pumpteil zu einer Strömung der feuchten Luft in einer radialen Richtung innerhalb des Membranmoduls und führt zu einem Vermischen der rohrseitigen Luft, die in dem rohrseitigen Luftzufuhrrohr strömt, mit der angesaugten feuchten Luft.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtluft-Pumpteil eine einzelne Ejektorstruktur oder eine mehrstufige Ejektorstruktur, die durch serielles Verbinden einer Mehrzahl von Ejektoren in einer Mehrfachstufe gebildet ist, ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtluft-Pumpteil eine Venturirohrstruktur ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtluft-Pumpteil eine Venturirohrstruktur ist und einen Teil mit einem minimalen Durchmesser, der im Wesentlichen an einer Mitte desselben angeordnet ist, und Teile mit großem Durchmesser, die an einer linken und einer rechten Seite des Teils mit minimalem Durchmesser einstückig angeformt sind und die Gasströmung in der gleichen Richtung wie das rohrseitige Luftzufuhrrohr bilden, umfasst, und eine Fläche des Teils mit minimalem Durchmesser eine Mehrzahl von Einführungsöffnungen umfasst, durch welche die feuchte Luft eingeführt wird.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtluft-Pumpteil an einem hinteren Ende des rohrseitigen Luftzufuhrrohrs angebracht ist, so dass er nahe an einem in dem ersten Verteiler angebrachten Feuchtlufteinlass angeordnet ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das rohrseitige Luftzufuhrrohr im Wesentlichen an einer Mitte auf der Grundlage eines Durchmessers des Membranmoduls angeordnet ist oder exzentrisch zu einer Seite auf der Grundlage eines Durchmessers des Membranmoduls angeordnet ist oder mehrteilig gebildet ist und derart angeordnet ist, so dass es innerhalb des Membranmoduls voneinander beabstandet ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das rohrseitige Luftzufuhrrohr exzentrisch zu einer Seite bezogen auf einen Durchmesser des Membranmoduls angeordnet ist und neben einem Feuchtlufteinlass angeordnet ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Membranmodul einen an einem Innendurchmesser des Gehäuses angebrachten Rohrträger umfasst, um das rohrseitige Luftzufuhrrohr zu tragen.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Membranmodul ein erster Verteiler mit einem Ende des Gehäuses über einen Verteiler gekoppelt ist und die Größen einer Mehrzahl von Öffnungen, die entlang einer Umfangsrichtung des Verteilers gebildet sind, auf der Grundlage einer Lagebeziehung zwischen dem Feuchtluft-Pumpteil und einem in einem ersten Verteiler angebrachten Feuchtlufteinlass unterschiedlich gebildet sind.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Membranmodul ein erster Verteiler mit einem Ende des Gehäuses über einen Verteiler gekoppelt ist und eine zu dem Feuchtluft-Pumpteil und der in dem ersten Verteiler angebrachten Feuchtluftöffnung nächstgelegene Öffnung unter einer Mehrzahl von Öffnungen, die entlang einer Umfangsrichtung des Verteilers gebildet sind, derart gebildet ist, dass sie größer als die anderen Öffnungen ist.
Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Innenseite des Membranmoduls ein erstes rohrseitiges Luftzufuhrrohr mit einem ersten Feuchtluft-Pumpteil und ein zweites rohrseitiges Luftzufuhrrohr mit einem zweiten Feuchtluft-Pumpteil umfasst, und ein Rückschlagventil in dem ersten rohrseitigen Luftzufuhrrohr, in dem der erste Feuchtluft-Pumpteil mit einer verbesserten Leistung unter dem ersten und dem zweiten Feuchtluft-Pumpteil angebracht ist, um einen Betrieb des ersten Feuchtluft-Pumpteils automatisch zu steuern, angebracht ist.
Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem, das den Befeuchter nach Anspruch 1 aufweist.
Luftsteuersystem, aufweisend: eine Mehrzahl von Sensoren, die in einem rohrseitigen Luftzufuhrrohr zwischen einem Luftgebläse und einem Membranbefeuchter angebracht sind; ein Abgassteuerventil, das in einer Feuchtluft-Abführleitung des Membranbefeuchters angebracht ist; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um Informationen, die von jedem der Sensoren empfangen werden, und einen Wert, der durch Überwachen einer Zellspannung eines Brennstoffzellenstapels erhalten wird, zu verwenden, um das Luftgebläse und das Abgassteuerventil zu betätigen.