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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle, mit denen der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zu an einen Stapel zugeführter Luft steuerbar/regelbar ist, indem eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite einer Hohlfasermembran, die den Membranbefeuchter bildet, eingestellt wird.
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(b) Stand der Technik
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Im Allgemeinen ist eine Befeuchtung einer Elektrolytmembran in einer Brennstoffzelle erforderlich, um ein Brennstoffzellensystem zu betreiben, und zu diesem Zweck wird eine Befeuchtungsvorrichtung verwendet, die in einer Weise betrieben wird, wobei von der Brennstoffzelle abgeführtes feuchtes Gas mit von außen zugeführtem Gas Feuchtigkeit austauscht.
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Beispiele der Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle umfassen Ultraschallbefeuchter, Dampfbefeuchter, Verdunstungsbefeuchter und dergleichen, und als eine für die Brennstoffzelle verwendete Befeuchtungsvorrichtung wird in geeigneter Weise ein Membranbefeuchter, der eine Hohlfasermembran verwendet, eingesetzt. Insbesondere werden eine Konfiguration und ein Betrieb eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle im Stand der Technik nachfolgend beschrieben. Die beigefügte 1 stellt ein Luftversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik dar und 2 stellt einen in dem Luftversorgungssystem umfassten Aufbau des Membranbefeuchters im Stand der Technik dar.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Brennstoffversorgungssystem, das eingerichtet ist, um Brennstoff (z. B. Wasserstoff) an einen Brennstoffzellenstapel zuzuführen, ein Luftversorgungssystem, das eingerichtet ist, um Sauerstoff, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel darstellt und in der Luft enthalten ist, an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen, ein Wärme- und Wasser-Management-System, das eingerichtet ist, um eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels zu regeln, und den Brennstoffzellenstapel (im Folgenden als ein Stapel bezeichnet), der eingerichtet ist, um elektrische Energie unter Verwendung von Wasserstoff und Luft zu erzeugen.
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Demzufolge wird, wenn Wasserstoff von dem Brennstoffversorgungssystem an eine Brennstoffelektrode des Stapels zugeführt wird, und zur gleichen Zeit Sauerstoff von dem Luftversorgungssystem an eine Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff an der Brennstoffelektrode durchgeführt, so dass Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt werden, und die erzeugten Wasserstoffionen und Elektronen werden an die Luftelektrode über eine Elektrolytmembran beziehungsweise eine Trennplatte bewegt, und Wasser wird an der Luftelektrode durch eine elektrochemische Reaktion zwischen in der Luft enthaltenem Sauerstoff, den Wasserstoffionen und den Elektronen, die von der Brennstoffelektrode bewegt worden sind, erzeugt, und zur gleichen Zeit wird elektrische Energie aus einem Fluss der Elektronen erzeugt.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst das Luftversorgungssystem einen Membranbefeuchter 100 und ein Luftgebläse 202, um befeuchtete Luft (Sauerstoff) an einen Brennstoffzellenstapel 200 zuzuführen. Demzufolge wird trockene Luft von außen in die Hohlfasermembran der Membranbefeuchter 100 durch einen Ansaugvorgang des Luftgebläses 202 zugeführt und gleichzeitig strömt Austrittsgas (feuchte Luft), das von dem Brennstoffzellenstapel 200 nach der Reaktion abgeführt/ausgetragen wird, durch den Membranbefeuchter 100, und in diesem Fall dringt in dem Austrittsgas enthaltene Feuchtigkeit in die Hohlfasermembran ein, um die trockene Luft zu befeuchten.
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Unter Bezugnahme auf die beigefügte 2 umfasst der Membranbefeuchter 100 im Stand der Technik ein Gehäuse 101, das einen Versorgungsanschluss 102, der an einem Ende des Gehäuses 101 gebildet ist und in den trockene Luft von dem Luftgebläse strömt, und eine Auslassöffnung 103, die an dem anderen Ende des Gehäuses 101 gebildet ist und von welcher befeuchtete trockene Luft abgeführt wird, aufweist.
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Ein Bündel von Hohlfasermembranen, in dem eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen 106 konzentriert ist, in dem Gehäuse 101 aufgenommen, und beide Enden des Bündels von Hohlfasermembranen sind aufgenommen, indem sie durch typische Vergusselemente 108 vergossen/eingekapselt (z. B. befestigt) sind. Ein Einlass 104, in den von dem Brennstoffzellenstapel abgeführte befeuchtete Luft strömt, ist in/an einem Umfangsabschnitt des Gehäuses 101 gebildet, und ein Auslass 105, von dem feuchte Luft, von der Feuchtigkeit entfernt worden ist, abgeführt wird, ist in/an dem anderen Umfangsabschnitt gebildet.
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Dementsprechend, wenn das Austrittsgas, das von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt worden ist, nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, das heißt, die feuchte Luft von dem Einlass 104 des Gehäuses 101 an die Hohlfasermembranen 106 zugeführt wird, wird Feuchtigkeit von der feuchten Luft durch eine Kapillarwirkung in den jeweiligen Hohlfasermembranen 106 abgeschieden, und die abgeschiedene Feuchtigkeit wird beim Durchströmen der Kapillarrohre in den Hohlfasermembranen 106 kondensiert und dann in die Hohlfasermembranen 106 bewegt. Ferner wird die feuchte Luft, von der die Feuchtigkeit abgeschieden worden ist, entlang der Außenseite der Hohlfasermembranen 106 bewegt und dann durch den Auslass 105 des Gehäuses 101 abgeführt.
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Zur gleichen Zeit wird Gas von außen (trockene Luft) durch den Versorgungsanschluss 102 des Gehäuses 101 durch den Betrieb des Luftgebläses zugeführt, die trockene Luft, die durch den Versorgungsanschluss 102 zugeführt wird, wird durch die Hohlfasermembranen 106 bewegt, und in diesem Fall, da die von der feuchten Luft abgeschiedene Feuchtigkeit bereits in die Hohlfasermembranen 106 bewegt worden ist, wird die trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet und die befeuchtete trockene Luft wird an die Luftelektrode des Stapels durch die Auslassöffnung 103 zugeführt.
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Unterdessen wird ein Befeuchtungsprinzip des Membranbefeuchters unter Bezugnahme auf die beigefügte 3 ausführlicher beschrieben. Wenn die feuchte Luft, die von dem Stapel abgeführt worden ist, nachdem die Reaktion beendet ist, an ein äußeres Umfeld der Hohlfasermembranen 106 zugeführt wird, und zur gleichen Zeit trockene Luft (z. B. Gas von außen), die von dem Luftkompressor zugeführt wird, innerhalb der Hohlfasermembranen 106 strömt, befeuchtet das in der feuchten Luft enthaltene Wasser die trockene Luft in den Hohlfasermembranen 106 beim Durchströmen der Hohlfasermembranen 106, und das Prinzip, dass Feuchtigkeit in der feuchten Luft durch die Hohlfasermembranen 106 strömt, wird durch Übertragen der Feuchtigkeit unter Verwendung, als eine bewegende Kraft, einer Partialdruckdifferenz eines Fluids (Feuchtigkeit) zwischen der Innenseite und der Außenseite (angegeben durch ➀ und ➁ in 3) der Hohlfasermembranen 106 erreicht.
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Es werden verschiedene Verfahren untersucht, um die Leistung beim Übertragen von Feuchtigkeit durch die Hohlfasermembran des Membranbefeuchters für die Brennstoffzelle zu optimieren.
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Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt 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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung ist im Bestreben gemacht worden, um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen, um die Feuchtigkeitsübertragungsleistung durch eine Hohlfasermembran eines Membranbefeuchters zu maximieren. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle bereit, mit denen der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zu der an einen Stapel zugeführten Luft optimal einstellbar ist, indem eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran auf der Grundlage eines Feuchtigkeitsgrades einer Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel eingestellt wird.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung bereit eine Vorrichtung zum Steuern eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle bereit, wobei die Vorrichtung umfassen kann: einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft zu komprimieren und die Luft an den Membranbefeuchter zuzuführen; und einen Membranbefeuchter, der eingerichtet ist, um die von dem Luftkompressor zugeführte Luft zu befeuchten und die Luft an einen Stapel zuzuführen, wobei ein Druckregelventil an einem Auslass des Membranbefeuchters angebracht sein kann, um einen Druck der befeuchteten Luft, die von dem Stapel zu der Außenseite einer Hohlfasermembran des Membranbefeuchters strömt, einzustellen, und ein erstes Luftabsperrventil an einem Einlass des Stapels angebracht sein kann, um einen Druck der Luft, die von dem Luftkompressor zu der Innenseite der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters strömt, einzustellen.
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In einem Ausführungsbeispiel kann ferner ein zweites Luftabsperrventil in/an einer Abführleitung der feuchten Luft, die von einem Auslass des Stapels zu einem Einlass des Membranbefeuchters verbunden ist, angebracht sein. Die Vorrichtung kann ferner umfassen einen Feuchtigkeitssensor, der eingerichtet ist, um eine Feuchtigkeit des Stapels zu messen, um Öffnungsgrade des Druckregelventils und der Luftabsperrventile zu bestimmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung bereit ein Verfahren zum Steuern eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfassen kann: Messen einer Feuchtigkeit eines Stapels; Erhöhen eines Drucks in einer Hohlfasermembran des Membranbefeuchters durch Reduzieren oder Blockieren der Menge von feuchter Luft, die von dem Stapel an den Membranbefeuchter zugeführt wird, wenn die gemessene Feuchtigkeit gleich oder größer als ein Referenzwert/Bezugswert ist; und Erhöhen eines Drucks sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters durch Blockieren eines Auslasses des Membranbefeuchters, durch welchen feuchte Luft von dem Stapel an den Membranbefeuchter zugeführt wird und gleichzeitig die feuchte Luft abgeführt/ausgetragen werden kann, wenn die gemessene Feuchtigkeit gleich oder kleiner als der Referenzwert ist.
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Darüber hinaus kann das Erhöhen des Drucks in der Hohlfasermembran umfassen ein Verringern eines Öffnungsgrades eines ersten Luftabsperrventils, das an/in einem Einlass des Stapels angebracht ist, oder ein Schließen des ersten Luftabsperrventils, oder Verringern eines Öffnungsgrades eines zweiten Luftabsperrventils, das an/in einer Abführleitung der feuchten Luft, die einen Auslass des Stapels und einen Einlass des Membranbefeuchters verbindet, angebracht ist, oder Schließen des zweiten Luftabsperrventils. Wenn der Druck innerhalb der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters erhöht wird, kann eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran verringert werden, wodurch ein Feuchtigkeitsgehalt der innerhalb der Hohlfasermembran strömenden trockenen Luft reduziert wird.
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Ferner kann das Erhöhen des Drucks sowohl innerhalb als auch außerhalb des Hohlfasermembran umfassen ein Verringern eines Öffnungsgrades eines Druckregelventils, das an/in einem Auslass des Membranbefeuchter angebracht ist, oder Schließen des Druckregelventils, wenn feuchte Luft von dem Stapel an den Membranbefeuchter zugeführt wird. Wenn der Druck sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hohlfasermembran erhöht wird, kann eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran erhöht werden, wodurch ein Feuchtigkeitsgehalt der innerhalb der Hohlfasermembran strömenden trockenen Luft erhöht wird.
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Durch die oben genannten technischen Lösungen stellt die vorliegende Erfindung folgende Effekte/Wirkungen bereit.
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Zunächst, wenn die Feuchtigkeit der Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist, so dass die Polymer-Elektrolyt-Membran trocken ist/wird, kann es möglich sein, den Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur an den Stapel zugeführten Luft durch Erhöhen der Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran zu erhöhen.
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Zweitens, wenn die Feuchtigkeit der Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel gleich oder größer als der Referenzwert ist, so dass die Polymer-Elektrolyt-Membran feucht ist/wird, kann es möglich sein, den Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur an den Stapel zugeführten Luft durch Verringern der Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran zu verringern.
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Wie oben beschrieben, kann es möglich sein, den Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur an den Stapel zugeführten Luft durch Einstellen der Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran in Abhängigkeit von einem Feuchtigkeitsgrad der Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel optimaler einzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die durch die 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:
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1 ein Diagramm, das ein Luftversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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2 eine Schnittdarstellung, die eine Struktur eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle im Stand der Technik darstellt;
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3 eine Ansicht, die ein Befeuchtungsprinzip der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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4 ein Diagramm, das eine Vorrichtung zum Steuern eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 bis 7 Diagramme, die einen Betriebsablauf der Vorrichtung zum Steuern des Feuchtigkeitsgehalts des Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
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8 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Feuchtigkeitsgehalts des Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen Bezugnahmen auf die folgenden Elemente, wie weiter unten erläutert:
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Membranbefeuchter
- 101
- Gehäuse
- 102
- Versorgungsanschluss
- 103
- Auslassöffnung
- 104
- Einlass
- 105
- Auslass
- 106
- Hohlfasermembranen
- 108
- Vergusselement
- 110
- erstes Luftabsperrventil
- 120
- zweites Luftabsperrventil
- 130
- Druckregelventil
- 140
- Abführleitung der feuchten Luft
- 200
- Stapel
- 202
- Luftkompressor
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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 Offenbarung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, 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.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Obwohl ein 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.
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
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Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Offenbarung in Verbindung mit Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Offenbarung auf jene Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Offenbarung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Offenbarung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche beschrieben ist.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die beigefügte 4 zeigt ein Konfigurationsdiagramm, das eine Vorrichtung zum Steuern eines Feuchtigkeitsgehalts eines Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 4 dargestellt, kann ein Luftversorgungssystem für eine Brennstoffzelle umfassen einen Membranbefeuchter 100 und einen Luftkompressor 202, der eingerichtet ist, um befeuchtete Luft (z. B. Sauerstoff) an einen Stapel 200 zuzuführen.
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Insbesondere kann trockene Außenluft in die Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 durch einen Ansaugvorgang des Luftkompressors 202 zugeführt werden, und gleichzeitig kann Austrittsgas (z. B. feuchte Luft), das von dem Stapel 200 nach der Reaktion abgeführt wird, durch den Membranbefeuchter 100 strömen, und in dem Austrittsgas enthaltene Feuchtigkeit kann in die Hohlfasermembran permeieren, um die trockene Luft zu befeuchten.
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Ein Druckregelventil 130 kann an einem Auslass 105 des Membranbefeuchters 100 angebracht sein und kann durch eine Steuerung betrieben/betätigt werden. Insbesondere ist der Auslass 105 des Membranbefeuchters 100 ein Auslass, durch welchen feuchte Luft abgeführt werden kann, nachdem trockene Luft in der Hohlfasermembran befeuchtet wird, und das Druckregelventil 130 kann an dem Auslass angebracht sein. Das Druckregelventil 130 kann eingerichtet sein, um den Druck der feuchten Luft in dem Membranbefeuchter 100 einzustellen, das heißt, der Druck der feuchten Luft, die von dem Stapel zu der Außenseite der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 strömt.
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Demzufolge, wenn das Druckregelventil 130 geschlossen wird, kann die feuchte Luft durch den Auslass 105 abgeführt werden, und als ein Ergebnis kann der Druck der feuchten Luft in dem Membranbefeuchter 100 zunehmen. Ferner, wenn das Druckregelventil 130 geöffnet wird, kann der Druck der feuchten Luft in dem Membranbefeuchter 100 abnehmen. Darüber hinaus kann ein erstes Luftabsperrventil 110 an einem Einlass des Stapels 200 angebracht sein und ein zweites Luftabsperrventil 120 kann in einer Abführleitung 140 der feuchten Luft (Feuchtluft-Abführleitung), die von einem Auslass des Stapels 200 zu einem Einlass 104 des Membranbefeuchters 100 verbunden ist, angebracht sein.
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Das erste und zweite Luftabsperrventil 110 und 120 kann durch die Steuerung betrieben/betätigt werden und können eingerichtet sein, um den Druck der Luft, die von dem Luftkompressor 202 in die Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 strömt, einzustellen. Dementsprechend, wenn das erste Luftabsperrventil 110 geschlossen wird, kann von der Innenseite der Hohlfasermembran an den Stapel 200 strömende Luft (z. B. befeuchtete Luft) blockiert werden, was bewirkt, dass der Druck der innerhalb der Hohlfasermembran strömenden Luft ansteigt.
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Wenn das zweite Luftabsperrventil 120 geschlossen wird, wird von dem Stapel 200 nach der Reaktion abgeführte Luft (z. B. feuchte Luft) nicht an den Membranbefeuchter 100 zugeführt, und als ein Ergebnis kann ein Strom der Luft (z. B. befeuchtete trockene Luft), die an den Stapel 200 durch das Innere der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 zugeführt wird, ebenfalls verzögert werden, was bewirkt, dass der Druck der innerhalb der Hohlfasermembran strömenden Luft zunimmt.
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Indessen kann ein Feuchtigkeitssensor (nicht dargestellt), der eingerichtet ist, um eine Feuchtigkeit der Elektrolytmembran in dem Stapel zu messen, in dem Stapel 200 angebracht sein, und Öffnungsgrade des Druckregelventils 130 und des ersten und zweiten Luftabsperrventils 110 und 120 können auf der Grundlage eines Wertes der durch den Feuchtigkeitssensor gemessenen Feuchtigkeit bestimmt werden. Insbesondere wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle auf Basis der oben beschriebenen Konfigurationen/Anordnungen nachfolgend beschrieben.
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Die beigefügten 5 bis 7 zeigten Konfigurationsdiagramme, die einen Betriebsablauf der Vorrichtung zum Steuern/Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen, und 8 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Feuchtigkeitsgehalts des Membranbefeuchters für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Zunächst kann die Feuchtigkeit des Stapels durch den Feuchtigkeitssensor gemessen werden (S101). Insbesondere kann das Messen der Feuchtigkeit des Stapels umfassen ein Messen eines Feuchtigkeitszustandes der Polymer-Elektrolyt-Membran, die ein Element des Stapels darstellt. Wenn die gemessene Feuchtigkeit gleich oder größer als ein Referenzwert ist, kann bestimmt werden, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel feucht ist (S102), und als ein Ergebnis kann der Öffnungsgrad des ersten Luftabsperrventils 110, das an dem Einlass des Stapels 200 angebracht ist, vorübergehend reduziert werden, oder das erste Luftabsperrventil 110 kann geschlossen werden (S103).
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Insbesondere wenn der Öffnungsgrad des ersten Luftabsperrventils 110 vorübergehend reduziert wird oder das erste Luftabsperrventil 110 geschlossen wird, kann die Menge der Luft, die von dem Luftkompressor 202 an den Stapel 200 über den Membranbefeuchter 100 zugeführt wird, verringert werden oder die Luftzufuhr kann blockiert werden. Wenn das erste Luftabsperrventil 110 geschlossen wird, kann die Luft, die von dem Luftkompressor 202 an den Stapel 200 über den Innenraum der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 zugeführt wird, an dem Einlass des Stapels blockiert werden, wie dies durch eine dicke durchgezogene Linie in der beigefügten 5 angegeben ist, und als ein Ergebnis kann der Druck der Luft, die innerhalb der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 strömt, ansteigen.
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Wie oben beschrieben, wenn der Öffnungsgrad des ersten Luftabsperrventils 110 verringert wird oder das erste Luftabsperrventil 110 geschlossen wird und somit nur der Druck in der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters (z. B. der Druck der trockenen Luft in der Hohlfasermembran, angegeben durch ➀ in 3) zunehmen kann, kann eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran 106 abnehmen, was bewirkt, dass die an die Außenseite der Hohlfasermembran 106 zugeführte Luft nicht gleichmäßig in die Hohlfasermembran 106 permeieren kann, und als ein Ergebnis kann der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur trockenen Luft in der Hohlfasermembran reduziert werden.
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Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zu der trockenen Luft in der Hohlfasermembran wie oben beschrieben reduziert wird, kann trockene Luft mit verringerter Feuchtigkeit an den Stapel von dem Membranbefeuchter zugeführt werden, und als ein Ergebnis kann die Feuchtigkeit des Stapels (z. B. ein Feuchtigkeitszustand der Polymer-Elektrolyt-Membran) abnehmen. Optional, wenn die wie oben beschriebene Feuchtigkeit gleich oder größer als der Referenzwert ist, kann bestimmt werden, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel feucht ist (S102), und als ein Ergebnis kann der Öffnungsgrad des zweiten Luftabsperrventils 120, das an dem Auslass des Stapels 200 angebracht ist, vorübergehend verringert werden oder das zweite Luftabsperrventil 120 kann geschlossen werden (S103), wenn das erste Luftabsperrventil 110, das an dem Einlass des Stapels 200 angebracht ist, offen bleibt.
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Mit anderen Worten kann der Öffnungsgrad des zweiten Luftabsperrventils 120, das in der Abführleitung 140 der feuchten Luft, die den Auslass des Stapels 200 und den Einlass des Membranbefeuchters 100 verbindet, angebracht ist, vorübergehend verringert werden oder das zweite Luftabsperrventil 120 kann geschlossen werden. Auch wenn der Öffnungsgrad des zweiten Luftabsperrventils 120 abnimmt oder das zweite Luftabsperrventil 120 geschlossen wird, kann von dem Stapel 200 nach der Reaktion abgeführte Luft an einem Zuführen an den Membranbefeuchter 100 gehindert werden, wie dies durch eine dicke durchgezogene Linie in der beigefügten 6 angegeben ist, und als ein Ergebnis kann ein Strom der Luft (z. B. befeuchtete trockene Luft), die an den Stapel 200 durch das Innere der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 zugeführt wird, auch verzögert werden, was bewirkt, dass der Druck der innerhalb der Hohlfasermembran strömenden Luft ansteigt.
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In ähnlicher Weise, wenn der Öffnungsgrad des zweiten Luftabsperrventils 120 verringert wird oder das zweite Luftabsperrventil 120 geschlossen wird und somit der Druck in der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters (z. B. der Druck der trockenen Luft in der Hohlfasermembran, angegeben durch ➀ in 3) zunimmt, kann eine Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran 106 abnehmen, so dass die an die Außenseite der Hohlfasermembran 106 zugeführte feuchte Luft nicht gleichmäßig in die Hohlfasermembran 106 permeiert, und als ein Ergebnis kann der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur trockenen Luft in der Hohlfasermembran reduziert werden.
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Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zu der trockenen Luft in der Hohlfasermembran wie oben beschrieben reduziert wird, kann trockene Luft mit verringerter Feuchtigkeit an den Stapel von dem Membranbefeuchter zugeführt werden, und als ein Ergebnis kann die Feuchtigkeit des Stapels (z. B. ein Feuchtigkeitszustand der Polymer-Elektrolyt-Membran) abnehmen. Unterdessen, wenn die wie oben gemessene Feuchtigkeit gleich oder kleiner als der Referenzwert ist, kann bestimmt werden, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel trocken ist/wird (S104), und als ein Ergebnis kann der Öffnungsgrad des Membranbefeuchters vorübergehend reduziert werden oder der Membranbefeuchter kann geschlossen werden (S105), wenn das erste und zweite Luftabsperrventil 110 und 120 offen bleiben.
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Mit anderen Worten, wenn die gemessene Feuchtigkeit gleich oder kleiner als der Referenzwert ist, wenn das erste und das zweite Luftabsperrventil 110 und 120 geöffnet werden, kann die feuchte Luft an den Membranbefeuchter 100 von dem Stapel 200 zugeführt werden, und zur gleichen Zeit kann der Öffnungsgrad des Druckregelventils 130, das an dem Auslass 105 des Membranbefeuchters 100 angebracht ist, vorübergehend reduziert werden oder das Druckregelventil 130 kann geschlossen werden. Demzufolge, da der Auslass 105 des Membranbefeuchters 100, durch welchen die feuchte Luft abgeführt wird, blockiert wird, kann der Druck außerhalb der Hohlfasermembran sowie der Druck in der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 erhöht werden.
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Wenn der Öffnungsgrad des Druckregelventils 130 reduziert wird oder das Druckregelventil 130 geschlossen wird, kann Luft (z. B. feuchte Luft), die von dem Stapel 200 nach der Reaktion abgeführt wird, gleichmäßiger an die Außenseite der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters 100 abgeführt werden, und wird dann nicht an den Auslass 105 abgeführt, nachdem die Befeuchtung abgeschlossen ist, wie dies durch eine dicke Linie in der beigefügten 7 angegeben ist, und als ein Ergebnis kann der Druck außerhalb der Hohlfasermembran zunehmen.
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Wie oben beschrieben, wenn der Öffnungsgrad des Druckregelventils 130 reduziert wird oder das Druckregelventil 130 geschlossen wird und somit der Druck außerhalb der Hohlfasermembran des Membranbefeuchters (z. B. der Druck der feuchten Luft außerhalb der Hohlfasermembran, angegeben durch ➁ in 3) zunimmt, kann eine Partialdruckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran 106 zunehmen, und somit kann die feuchte Luft, die an die Außenseite der Hohlfasermembran 106 zugeführt wird, gleichmäßiger in die Hohlfasermembran 106 permeieren, und als ein Ergebnis kann der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur trockenen Luft in der Hohlfasermembran zunehmen.
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Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zu der trockenen Luft in der Hohlfasermembran wie oben beschrieben erhöht wird, kann trockene Luft mit erhöhter Feuchtigkeit an den Stapel von dem Membranbefeuchter zugeführt werden, und als ein Ergebnis kann die Feuchtigkeit des Stapels (z. B. ein feuchtigkeitszustand der Polymer-Elektrolyt-Membran) ansteigen. Wie oben beschreiben kann es möglich sein, den Feuchtigkeitsgehalt des Membranbefeuchters relativ zur an den Stapel zugeführten Luft optimal einzustellen, indem die Partialdruckdifferenz der Feuchtigkeit zwischen der Innenseite und der Außenseite der Hohlfasermembran auf der Grundlage eines Feuchtigkeitsgrades der Polymer-Elektrolyt-Membran in dem Stapel eingestellt wird.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben beschrieben worden. Es versteht sich jedoch für einen Durchschnittsfachmann, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei der Umfang derselben in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
