-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Stapel mit integriertem Luftbefeuchter.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Einer der Faktoren, der das Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle während eines Betriebs am direkttesten beeinflusst, besteht darin einen Feuchtigkeitsgehalt in einem Membranelektrodenaufbau (Membrane Electrode Assembly; MEA), der eine Kernkomponente einer Brennstoffzelle ist, aufrecht zu erhalten, indem an eine Elektrolytmembran und lonomere in Katalysatorschichten eine Feuchtigkeitsmenge zugeführt wird, die größer als oder gleich zu einer vorgegebenen Menge ist, wodurch eine maximale ionische Leitfähigkeit der Elektrolytmembran und der lonomere selbst erhalten wird.
-
Um dabei an die Elektrolytmembran Feuchtigkeit zuzuführen, kann außerhalb eines Brennstoffzellenstapels ein Luftbefeuchter vorgesehen werden. Wenn der Luftbefeuchter außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, dann kann das Gesamtgewicht und das Gesamtvolumen eines Brennstoffzellensystems unter Umständen vergrößert werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die vorliegende Offenbarung ist zur Lösung der voranstehend erwähnten Probleme, die in dem Stand der Technik auftreten, durchgeführt worden, während Vorteile, die von dem Stand der Technik erzielt werden, intakt aufrechterhalten werden.
-
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt einen Stapel mit integriertem Luftbefeuchter bereit, der konfiguriert ist, um Feuchtigkeit von Luft, die von einer Luftelektrode abgegeben wird, an ein Befeuchtungselement durch einen vorgegebenen Raum eines Verteilerblocks, der an einem Ende eines Stapelmoduls angeordnet ist, zu führen, um eine Befeuchtung auszuführen, ohne dass ein getrennter Luftbefeuchter außerhalb des Stapels bereitgestellt wird, wodurch das Gesamtgewicht und das Gesamtvolumen eines Systems verringert wird.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter: eine Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode umfassen; ein Stapelmodul, in dem die Vielzahl von Einheitszellen aufgestapelt sind; einen Verteilerblock, der an einem Ende des Stapelmoduls in einer Richtung angeordnet ist, in der die Vielzahl von Einheitszellen aufgestapelt sind, einen darin gebildeten vorgegebenen Raum aufweist, und mit einem Lufteinlass, der Luft, die an die Luftelektrode geführt werden soll, von außen empfängt, und einen Luftauslass, der mit dem vorgegebenen Raum kommuniziert und die von der Luftelektrode abgegebene Luft nach außen abgibt, versehen ist; und ein Befeuchtungselement, welches vorgesehen ist, um mit dem Lufteinlass in dem vorgegebenen Raum des Verteilerblocks zu kommunizieren, und die durch den Lufteinlass zugeführte Luft an die Luftelektrode durch einen inneren Hohlraum davon zu führen, wobei der Verteilerblock den vorgegebenen Raum bereitstellt, der ermöglicht, dass die von der Luftelektrode abgegebene Luft Feuchtigkeit an das Befeuchtungselement führt, während sie durch den vorgegebenen Raum strömt und an den Luftauslass abgegeben wird, um so die Luft, die durch den Hohlraum des Befeuchtungselements strömt, zu befeuchten.
-
Das Befeuchtungselement kann ein Hohlfaserbündel mit hohlen Fasern umfassen, die jeweils den in einer Längsrichtung ausgebildeten inneren Hohlraum und feine Löcher, die in einer Oberfläche davon gebildet sind und mit dem Hohlraum kommunizieren, um zu ermöglichen, dass die Feuchtigkeit der Luft, die von der Luftelektrode abgegeben wird, an den Hohlraum zugeführt wird, aufweisen.
-
Ein erstes Ende des Hohlfaserbündel kann mit dem Lufteinlass verbunden sein, und ein zweites Ende des Hohlfaserbündels kann angrenzend zu der Luftelektrode in der Richtung, in der die Vielzahl von Einheitszellen aufgestapelt sind, angeordnet sein und kann mit einem Zuführungsloch zum Kommunizieren eines Zuführungskanals zum Führen der Luft an die Luftelektrode mit dem vorgegebenen Raum verbunden sein.
-
Das erste Ende des Hohlfaserbündels kann an dem Lufteinlass abgedichtet und befestigt sein, so dass die Luft, die durch den Lufteinlass zugeführt wird, nicht in den vorgegebenen Raum leckt, und das zweite Ende des Hohlfaserbündels kann an dem Zuführungsloch abgedichtet und befestigt sein, so dass die Luft in dem Hohlraum nicht in den vorgegebenen Raum hinein leckt.
-
Das Hohlfaserbündel kann in dem vorgegebenen Raum derart vorgesehen sein, dass das erste Ende davon mit dem Lufteinlass verbunden ist und das zweite Ende davon angrenzend zu der Luftelektrode in der Richtung angeordnet ist, in der die Vielzahl von Einheitszellen aufgestapelt sind, und mit einem Zuführungsloch zum Kommunizieren eines Zuführungskanals zum Führen der Luft an die Luftelektrode mit dem vorgegebenen Raum verbunden ist.
-
Das erste Ende des Hohlfaserbündels kann abgedichtet sein, so dass die Luft, die durch den Lufteinlass zugeführt wird, nicht in den vorgegebenen Raum hinein leckt, und das zweite Ende des Hohlfaserbündels kann abgedichtet sein, so dass die Luft in dem Hohlraum nicht in den vorgegebenen Raum leckt.
-
Das erste Ende und das zweite Ende des Hohlfaserbündels kann unter Verwendung eines PU Kopplungselements abgedichtet sein.
-
Das Stapelmodul kann umfassen: ein erstes Stapelmodul mit einer Vielzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode umfassen; und ein zweites Stapelmodul, welches angrenzend zu dem ersten Stapelmodul angeordnet ist und eine Vielzahl von Einheitszellen umfasst, die jeweils eine Brennstoffelektrode und eine luftelektrische umfassen, und das Hohlfaserbündel kann umfassen: ein erstes Bündel, welches die durch den Lufteinlass zugeführte Luft an die Luftelektrode der Vielzahl von Einheitszellen des ersten Stapelmoduls führt; und ein zweites Bündel, welches die durch den Lufteinlass zugeführte Luft an die Luftelektrode der Vielzahl von Einheitszellen des zweiten Stapelmoduls zuführt.
-
Das erste und zweite Bündel können die gleiche Anzahl und Länge von hohlen Fasern aufweisen.
-
Der Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter kann ferner ein Halteelement, welches innerhalb des vorgegebenen Raums befestigt ist und das Hohlfaserbündel hält, umfassen.
-
Das Halteelement kann ein Halterohr mit einem darin gebildeten Einfügungsraum umfassten, und das Hohlfaserbündel kann in den Einfügungsraum eingefügt sein.
-
Das Halterohr kann Belüftungslöcher umfassen, die in einer Oberfläche davon gebildet sind und mit dem Einfügungsraum kommunizieren, um die Luft in dem vorgegebenen Raum an den Einfügungsraum zu führen.
-
Das Halteelement kann eine Halterungswand, die von wenigstens einer der inneren Oberflächen, die den vorgegebenen Raum definieren, vorsteht und das Hohlfaserbündel hält, umfassen.
-
Der Luftauslass kann positioniert sein, um der Luft, die von der Luftelektrode abgegeben wird, zu ermöglichen über das Befeuchtungselement in dem vorgegebenen Raum zu strömen und von dem Verteilerblock nach außen abgegeben zu werden.
-
Figurenliste
-
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich näher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine hohle Faser der 1;
- 3 ein Hohlfaserbündel der 1;
- 4 einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ein Halteelement, welches ein Hohlfaserbündel hält, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 die Zuführung von Feuchtigkeit an eine Hohlfaser mittels des Durchgangs von Luft in eine Halteröhre hinein, in Übereinstimmung der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden überall die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen oder äquivalenten Elemente zu bezeichnen. Zusätzlich wird eine ausführliche Beschreibung von altbekannten Techniken im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung weggelassen, um den Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung nicht unnötig zu verschleiern.
-
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt eine hohle Faser nach 1, und 3 zeigt ein Hohlfaserbündel der 1. Nachstehend wird der Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 1 bis 3 beschrieben.
-
Der Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter umfasst eine Vielzahl von Einheitszellen 10, die jeweils eine Brennstoffelektrode (Anode) und eine Luftelektrode (Kathode) umfassen, ein Stapelmodul (auch als Stackmodul bezeichnet) 11, in dem die Einheitszellen 10 aufgestapelt sind, einen Verteilerblock 100, und ein Befeuchtungselement 200.
-
Der Verteilerblock 100 kann an einem Ende des Stapelmoduls 11 in einer Richtung angeordnet sein, in der die Einheitszellen 10 aufgestapelt sind. Der Verteilerblock 100 kann einen vorgegebenen Raum 101 aufweisen, der in dem Inneren davon gebildet ist.
-
Der Verteilerblock 100 kann mit einem Lufteinlass 110, der Luft empfängt, die an die Luftelektrode von außen zugeführt werden soll, und einen Luftauslass 120, der mit dem vorgegebenen Raum 101 kommuniziert und die von der Luftelektrode abgegebene Luft nach außen abgibt, versehen sein.
-
Zum Beispiel kann der Lufteinlass 110 mit einem Gebläse (nicht gezeigt) verbunden sein. Als Folge des Betriebs des Gebläses kann trockene Luft außerhalb des Verteilerblocks 100 an den Lufteinlass 110 eingeleitet und an das Befeuchtungselement 200, welches nachstehend noch beschrieben wird, geführt werden.
-
Der Luftauslass 120 kann ausgebildet sein, um mit dem vorgegebenen Raum 101 zu kommunizieren, und kann positioniert sein, um zu ermöglichen, dass die von der Luftelektrode abgegebene Luft über das Befeuchtungselement 200 innerhalb des vorgegebenen Raums 101 strömt und von dem Verteilerblock 100 nach außen abgegeben wird.
-
Die Position des Luftauslass 120 ist nicht besonders beschränkt. Der Luftauslass 120 kann positioniert sein, um zu ermöglichen, dass die von der Luftelektrode abgegebene Luft in Kontakt mit dem Befeuchtungselement 200 ist, um Feuchtigkeit auszutauschen, und um dann von dem Verteilerblock 100 nach außen abgegeben zu werden.
-
Zum Beispiel kann eine Endplatte (nicht gezeigt) zwischen dem Verteilerblock 100 und den Einheitszellen 10 angeordnet sein. Ein Zuführungsloch 25, welches nachstehend noch beschrieben wird, kann in der Endplatte gebildet sein.
-
Das Befeuchtungselement 200 kann innerhalb des vorgegebenen Raums 101 des Verteilerblocks 100 angeordnet sein und kann mit dem Lufteinlass 110 kommunizieren. Das Befeuchtungselement 200 kann die Luft, die durch den Lufteinlass 110 zugeführt wird, durch einen internen Hohlraum davon an die Luftelektrode führen.
-
Der vorgegebene Raum 101 des Verteilerblocks 100 kann vorgesehen sein, um Feuchtigkeit der Luft, die von der Luftelektrode abgegeben wird, mit dem Befeuchtungselement 200 auszutauschen. Der Verteilerblock 100 kann einen vorgegebenen Raum bereitstellen, der ermöglicht, dass die von der Luftelektrode abgegebene Luft Feuchtigkeit mit der Luft, die durch den Hohlraum des Befeuchtungselements 200 fließt auszutauschen, während sie durch den vorgegebenen Raum 101 strömt und zu dem Luftauslass 120 abgegeben wird, die Feuchtigkeit an das Befeuchtungselement 200 zuzuführen, und die Luft, die durch das Befeuchtungselement 200 strömt, zu befeuchten.
-
Die Luft, die durch das Befeuchtungselement 200 strömt, kann durch die Luft, die von der Luftelektrode in dem vorgegebenen Raum 101 des Verteilerblocks 100 abgegeben wird, befeuchtet werden und somit kann eine hohe Platzausnutzung erreicht werden.
-
Da ein getrennter Luftbefeuchter nicht benötigt wird, kann das Gesamtgewicht des Stapels verringert werden und somit kann der Stapel miniaturisiert werden.
-
Wie in 1 und 2 dargestellt, das Befeuchtungselement 200 umfasst ein Hohlfaserbündel 210 mit hohlen Fasern, die jeweils einen Hohlraum 211, der auf der Innenseite davon in einer Längsrichtung gebildet ist, und feine Löcher 212, die in der Oberfläche davon gebildet sind, aufweisen. Die feinen Löcher 212 können mit dem Hohlraum 211 kommunizieren, um die Feuchtigkeit der Luft, die von der Luftelektrode abgegeben wird, an den Hohlraum 211 zu führen.
-
Wie in 1 gezeigt kann ein Ende des Hohlfaserbündels 210 mit dem Lufteinlass 110 verbunden sein. Das andere Ende des Hohlfaserbündels 210 kann angrenzend zu der Luftelektrode in der Richtung angeordnet sein, in der die Einheitszellen 10 aufgestapelt sind, und kann mit dem Zuführungsloch 25 verbunden sein, wobei ermöglicht wird, dass ein Zuführungskanal 26 zum Führen der Luft an die Luftelektrode und der vorgegebene Raum 101 miteinander kommunizieren bzw. in Verbindung stehen.
-
Ohne auf das Zuführungsloch 25 beschränkt zu sein kann irgendeine Struktur zum Führen der Luft an die Luftelektrode erfüllt sein.
-
Wie in 1 und 2 gezeigt kann ein Ende des Hohlfaserbündels 210 abgedichtet und an dem Lufteinlass 110 so befestigt sein, dass die Luft, die durch den Lufteinlass 110 zugeführt wird, nicht in den vorgegebenen Raum 101 leckt, und das andere Ende des Hohlfaserbündels 210 kann abgedichtet und an dem Zuführungsloch 25 derart befestigt sein, dass die Luft in dem Hohlraum 211 nicht in den vorgegebenen Raum 101 leckt.
-
Ein Ende und das andere Ende des Hohlfaserbündels 210 kann unter Verwendung eines PU Kopplungselements bzw. Vergusselements (engl. PU potting agent) 260 abgedichtet werden.
-
Zum Beispiel kann das PU Kopplungselement 260 einen hohen Wärmewiderstand und eine hohe Anhaftung aufweisen und verhindern, dass das Hohlfaserbündel 210 von dem Zuführungsloch 25 und dem Lufteinlass 110 getrennt wird.
-
Das Hohlfaserbündel 210 kann dünn und gebogen sein. Jedoch kann das Hohlfaserbündel durch Befestigung von einem Ende und dem anderen Ende des Hohlfaserbündels 210 unter Verwendung des PU Kopplungselements 260 in dem vorgegebenen Raum 101, ohne durcheinandergebracht zu werden, angeordnet sein.
-
4 zeigt einen Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
Der Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit der zweiten beispielhaften Ausführungsform der 4 unterscheidet sich von dem der ersten beispielhaften Ausführungsform hinsichtlich des Aufbaus eines Befeuchtungselements. Nachstehend werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen Elemente zu bezeichnen, und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
-
Wie in 4 dargestellt kann das Stapelmodul 11 ein erstes Stapelmodul 11a, in dem ein ersten Stapelmodul 11a, in dem ein Satz der Vielzahl von Einheitszellen 10, die jeweils eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode umfassen, aufgestapelt sind, und ein zweites Stapelmodul 11b, in dem ein anderer Satz der Vielzahl von Einheitszellen 10, die jeweils eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode umfassen, aufgestapelt sind, umfassen. Das zweite Stapelmodul 11b kann angrenzend zu dem ersten Stapelmodul 11a angeordnet sein.
-
Das Hohlfaserbündel 210 umfasst ein erstes Bündel 210a, welches die durch den Lufteinlass 110 zugeführte Luft zu der Luftelektrode der Vielzahl von Einheitszellen des ersten Stapelmodul 11a führt, und ein zweites Bündel 210b, das die durch den Lufteinlass 110 zugeführte Luft an die Luftelektrode der Vielzahl von Einheitszellen des zweiten Stapelmodul 11b führt.
-
Die ersten und zweiten Bündel 210a und 210b können die gleiche Anzahl und die gleiche Länge von hohlen Fasern aufweisen, in dem vorgegebenen Raum 101 angeordnet sein und die Luft an das erste bzw. zweite Stapelmodul 11a und 11b führen.
-
Indem ermöglicht wird, dass die Anzahl und die Länge von hohlen Fasern die gleichen sind, kann die Luft beispielsweise gleichermaßen zu dem ersten und dem zweiten Stapelmodul 11a und 11b strömen.
-
Die ersten und zweiten Stapelmodul 11a und 11b können in zwei Feldern angeordnet werden, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Stapelmodule können in mehreren Feldern (Arrays) angeordnet werden.
-
Um die gleiche Anzahl und Länge von hohlen Fasern zu konfigurieren, um der Luft zu ermöglichen, gleichermaßen an die Vielzahl von Stapelmodulen 11 zu strömen, kann ein Teil des Hohlfaserbündels 210 gebogen sein. In diesem Fall kann ein Halteelement hinzugefügt werden, um das Hohlfaserbündel 210 zu halten.
-
5 zeigt ein Halteelement 400, das ein Hohlfaserbündel 210 hält, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 6 zeigt die Zuführung von Feuchtigkeit an eine hohle Faser mittels des Durchgangs von Luft in eine Halteröhre hinein, in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
-
Der Brennstoffzellenstapel mit integriertem Luftbefeuchter in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ferner ein Halteelement 400 umfassen.
-
Wie in 5 dargestellt kann das Halteelement 400 an der Innenseite des vorgegebenen Raums 101 befestigt sein, um das Hohlfaserbündel 210 zu halten.
-
Das Halteelement 400 umfasst ein Halterohr 300. Wie in 6 dargestellt kann das Halterohr 300 einen Einfügungsraum 330, der auf der Innenseite davon gebildet ist, und Belüftungslöcher 310, die in der Oberfläche davon gebildet sind, aufweisen. Das Hohlfaserbündel 210 kann in den Einfügungsraum 330 eingefügt werden. Das Halterohr 300 kann eine Rohrform aufweisen.
-
Der Einfügungsraum 330 und die Belüftungslöcher 310 des Halterohrs 300 können miteinander kommunizieren.
-
Die Belüftungslöcher 310 können die Luft in den vorgegebenen Raum 100 an den Einfügungsraum 330 führen.
-
Wie in 6 dargestellt kann mithilfe der Belüftungslöcher 310 die Luft, die von der Luftelektrode abgegeben wird, in Kontakt mit der Luft sein, die durch den Hohlraum 211 des Hohlfaserbündels 210 strömt, um Feuchtigkeit auszutauschen. Die Luft, die durch den Hohlraum strömt, kann in dieser Weise befeuchtet werden.
-
Wenn das Hohlfaserbündel 210 von dem Lufteinlass 110 zu dem Zuführungsloch 25 verbunden ist, kann beispielsweise das Halterohr 300 verhindern, dass das dünne Hohlfaserbündel 210 gebogen und von dem Lufteinlass 110 und dem Zuführungsloch 25 getrennt wird, wodurch die Form des Hohlfaserbündels 210 aufrechterhalten wird.
-
Zum Beispiel kann das Halterohr 300 mit einer Halterung (nicht gezeigt) verbunden sein. Die Halterung kann auf wenigstens einer der inneren Oberflächen, die den vorgegebenen Raum 101 definieren, angeordnet sein, um das Halterohr 300 zu halten bzw. abzustützen.
-
Das Halteelement 400 umfasst eine Halterungswand (nicht gezeigt), die von wenigstens einer der inneren Oberflächen, die den vorgegebenen Raum 101 definieren und das Hohlfaserbündel 210 halten, vorstehen.
-
Die Halterungswand kann vorgesehen sein, um das Hohlfaserbündel 210 derart zu halten, dass verhindert wird, dass das Hohlfaserbündel 210 von dem Lufteinlass 110 zu dem Zuführungsloch 25 gebogen wird. Eine Vielzahl von Halterungswänden kann vorgesehen sein, und die Länge davon kann unterschiedlich sein.
-
Durch Zuführen der Feuchtigkeit der Luft, die von Luftelektrode abgegeben wird, an das Befeuchtungselement 200 durch den vorgegebenen Raum 101 des Verteilerblocks 100 kann die Raumausnutzung verbessert werden. Das Gesamtgewicht des Stapels (Stacks) kann verringert werden und der Stapel kann miniaturisiert werden.
-
Wie voranstehend aufgeführt ist es nicht erforderlich außerhalb des Stapels einen getrennten Luftbefeuchter vorzusehen, und somit kann das Gesamtgewicht des Stapels verringert werden, wodurch eine Miniaturisierung eines Systems ermöglicht wird.
-
Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen und die beiliegenden Zeichnungen voranstehend beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, sondern kann von Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, in verschiedener Weise modifiziert und verändert werden, ohne von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung, die mit den folgenden Ansprüchen beansprucht werden, abzuweichen.
