DE102018116280A1

DE102018116280A1 - Befeuchter und brennstoffzellensystem mit diesem

Info

Publication number: DE102018116280A1
Application number: DE102018116280.4A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Shinozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US20190067717A1; JP2019046585A; JP6819516B2; CN109428096A; US10658688B2; CN109428096B

Abstract

Ein Befeuchter hat: feuchtigkeitsdurchlässige Bauteile, die jeweils eine rohrförmige Form haben; ein Gehäuse, das die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile beherbergt; einen ersten Strömungspfadabschnitt, in dem eines von einem Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, und einem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile strömt; einen zweiten Strömungspfadabschnitt, in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile im Inneren des Gehäuses strömt; und ein temperaturempfindliches Bauteil, das an wenigstens einem der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile angebracht ist, das in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist und das sich verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchter und ein Brennstoffzellensystem mit diesem.
HINTERGRUND
Bekannt ist ein Befeuchter, der ein Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, mittels Feuchtigkeit befeuchtet, die in einem Kathodenabgas enthalten ist, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird. Wünschenswerterweise wird die Befeuchtungsmenge des Kathodengases in geeigneter Weise eingestellt. Falls beispielsweise die Befeuchtungsmenge des Kathodengases durch den Befeuchter zu groß ist, kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ niedrig ist, eine große Menge von kondensiertem Wasser in der Brennstoffzelle erzeugt werden, sodass ein Fluten auftreten kann. Des Weiteren, falls die Befeuchtungsmenge des Kathodengases unzureichend ist, kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ hoch ist, eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle trocken werden. Beispielsweise offenbart die japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. JP 2006-156203 A folgendes: einen Vorbeiführungspfad zum Vorbeiführen eines Kathodenabgases an einem Befeuchter; und ein Vorbeiführungsventil zum Einstellen der Vorbeiführungsmenge des Kathodenabgases.
Der vorstehend beschriebene Vorbeiführungspfad und das vorstehend beschriebene Vorbeiführungsventil sind außerhalb des Befeuchters vorgesehen, was ein gesamtes System verkomplizieren kann und eine Größe von diesem erhöhen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Befeuchter vorzusehen, der eine Befeuchtungsmenge eines Kathodengases, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, mit einem einfachen Aufbau in geeigneter Weise einstellen kann, und ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, das den Befeuchter hat.
Die vorstehende Aufgabe wird durch einen Befeuchter erreicht, der Folgendes hat: feuchtigkeitsdurchlässige Bauteile, die jeweils eine Rohrform haben; ein Gehäuse, das die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile beherbergt; einen ersten Strömungspfadabschnitt, in dem eines von einem Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, und einem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgeben wird, innerhalb bzw. an der Innenseite der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile strömt; einen zweiten Strömungspfadabschnitt, in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb bzw. an der Außenseite der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile im Inneren des Gehäuses strömt; und ein temperaturempfindliches Bauteil, das an wenigstens einem der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile angebracht ist, in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist und sich verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert.
Die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils, das an dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil angebracht ist, wird wenigstens durch die Temperatur des Kathodenabgases beeinflusst. Hier ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ hoch ist, die Temperatur des Kathodenabgases auch relativ hoch. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ niedrig ist, ist die Temperatur des Kathodenabgases auch relativ niedrig. Deshalb ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ hoch ist, die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils auch relativ hoch. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ niedrig ist, ist die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils auch relativ niedrig. Wie vorstehend beschrieben ist, wird das temperaturempfindliche Bauteil verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert. Deshalb verringert sich, wenn sich die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils verringert, die Strömungsrate des Kathodengases oder des Kathodenabgases, das durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen strömt. Dies verringert auch die Menge von Feuchtigkeit, die sich von dem Kathodenabgas zu dem Kathodengas durch das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil hindurch bewegt. Demzufolge verringert sich die Befeuchtungsmenge des Kathodengases, wenn sich die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils verringert. Das heißt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ niedrig ist, verringert sich die Befeuchtungsmenge des Kathodengases. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ hoch ist, erhöht sich die Befeuchtungsmenge des Kathodengases. Auf diese Weise kann die Befeuchtungsmenge des Kathodengases, das zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, in geeigneter Weise mit einem einfachen Aufbau eingestellt werden, ohne einen Vorbeiführungspfad oder ein Vorbeiführungsventil außerhalb des Befeuchters vorzusehen.
Das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil kann eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran sein und das temperaturempfindliche Bauteil kann an wenigstens einer von einer Innenseite und einer Außenseite eines gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran angebracht sein.
Die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile können Hohlfasermembranen sein und das temperaturempfindliche Bauteil kann gekrümmt sein, um die Hohlfasermembranen zu greifen bzw. zu packen.
Ein Element, das gestaltet ist, um wenigstens eines von einem Erwärmen und einem Kühlen des temperaturempfindlichen Bauteils durchzuführen, kann umfasst sein.
Das temperaturempfindliche Bauteil kann ein poröser Körper sein, der teilweise zu dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil freiliegt.
Das temperaturempfindliche Bauteil kann wenigstens eines von einem Bimetall und einer Formspeicherlegierung umfassen.
Die vorstehende Aufgabe wird auch durch ein Brennstoffzellensystem erreicht, das Folgendes hat: eine Brennstoffzelle; und einen Befeuchter, wobei der Befeuchter Folgendes hat: feuchtigkeitsdurchlässige Bauteile, die jeweils eine Rohrform haben; ein Gehäuse, das die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile beherbergt; einen ersten Strömungspfadabschnitt, in dem eines von einem Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, und einem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile strömt; einen zweiten Strömungspfadabschnitt, in dem das Andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile im Inneren des Gehäuses strömt; und ein temperaturempfindliches Bauteil, das an wenigstens einem der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile angebracht ist, das in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist und das sich verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Befeuchter vorzusehen, der eine Befeuchtungsmenge eines Kathodengases, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, mit einem einfachen Aufbau in geeigneter Weise einstellen kann, und ein Brennstoffzellensystem mit dem Befeuchter vorzusehen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems;
2A bis 2C sind erklärende Ansichten eines Befeuchters;
3A bis 3C sind äußere Ansichten einer feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit, und 3D ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines temperaturempfindlichen Bauteils;
4A bis 4C sind erklärende Ansichten des Befeuchters in einem Niedrigtemperaturzustand der temperaturempfindlichen Bauteile;
5A bis 5C sind erklärende Ansichten eines Befeuchters gemäß einer Variation;
6A bis 6D sind erklärende Ansichten von feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten gemäß Variationen.
7A und 7B sind erklärende Ansichten eines Befeuchters, und 7C ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines gekrümmten Abschnitts eines temperaturempfindlichen Bauteils gemäß einer Variation;
8A und 8B sind erklärende Ansichten des Befeuchters in einem Niedrigtemperaturzustand; und
9A und 9B sind jeweils Ansichten, die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen in einem Hochtemperaturzustand und in einem Niedrigtemperaturzustand von gekrümmten Abschnitten darstellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 1 (nachstehend als ein System bezeichnet). Das System 1 hat eine Steuerungsvorrichtung 10, eine Brennstoffzelle 20, ein Luftzuführsystem 30, ein Kühlungssystem 40 und dergleichen. Das System 1 führt elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, zu einem Motor (nicht dargestellt) und dergleichen zu. Die Steuerungsvorrichtung 10 ist ein Computer, der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) und dergleichen hat, ist mit Vorrichtungen elektrisch verbunden, die später beschrieben werden, und steuert das gesamte System 1. Zusätzlich hat das System 1 ein Wasserstoffgaszufuhrsystem (nicht dargestellt) zum Zuführen eines Wasserstoffgases als ein Anodengas zu der Brennstoffzelle 20 und ein Leistungssteuerungssystem zum Steuern einer elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird.
Das Luftzufuhrsystem 30 hat einen Zufuhrpfad 31, einen Abgabepfad 32, einen Kompressor 33, einen Zwischenkühler 36 und ein Rückschlagventil 38. Das Luftzufuhrsystem 30 führt Luft zu der Brennstoffzelle 20 zu und ist wie folgt gestaltet. Die Sauerstoff enthaltende Luft (Kathodengas), die von der Atmosphäre entnommen wird, wird durch den Kompressor 33 über den Zufuhrpfad 31 komprimiert, wird durch den Zwischenkühler 36 gekühlt und wird zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Der Abgabepfad 32 gibt das Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird, zu der Atmosphäre ab. Das Rückschlagventil 38 stellt den Gegendruck an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 ein. Ein Befeuchter 50 befeuchtet das Kathodengas, das durch den Zufuhrpfad 31 hindurchgeht, mittels Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas enthalten ist, das durch den Abgabepfad 32 hindurchgeht. Der Kompressor 33, der Zwischenkühler 36 und der Befeuchter 50 sind an dem Zufuhrpfad 31 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite angeordnet. Der Befeuchter 50 und das Rückschlagventil 38 sind an dem Abgabepfad 32 in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite angeordnet.
Das Kühlungssystem 40 hat einen Zirkulationspfad 41, einen Vorbeiführungspfad 42, einen Verteilungspfad 43, eine Zirkulationspumpe 45, einen Radiator 46, ein Dreiwegeventil 47 und einen Temperatursensor 48. Das Kühlungssystem 40 zirkuliert Kühlwasser als ein Kältemittel durch vorbestimmte Pfade, um die Brennstoffzelle 20 zu kühlen, und ist wie folgt gestaltet. Das Kältemittel wird durch den Zirkulationspfad 41 durch die Zirkulationspumpe 45 zirkuliert, führt an dem Radiator 46 einen Wärmetausch durch und wird durch diesen gekühlt und wird zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Der Vorbeiführungspfad 42 zweigt von dem Zirkulationspfad 41 ab und führt an dem Radiator 46 vorbei. Das Dreiwegeventil 47 stellt die Strömungsrate des Kältemittels ein, das durch den Vorbeiführungspfad 42 strömt. Der Verteilungspfad 43 zweigt von dem Zirkulationspfad 41 ab und ist mit dem Zwischenkühler 36 verbunden und ist wieder mit dem Zirkulationspfad 41 verbunden. Die Luft, die durch den Zwischenkühler 36 hindurchgeht, wird durch das Kältemittel gekühlt. Der Temperatursensor 48 erfasst die Temperatur des Kältemittels, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird. Des Weiteren zweigt der Verteilungspfad 43 von dem Zirkulationspfad 41 an der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 20 und an der stromabwärtigen Seite des Dreiwegeventils 47 ab und verbindet sich mit dem Zirkulationspfad 41 an der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 20 und an der stromaufwärtigen Seite der Zirkulationspumpe 45.
Als Nächstes wird der Befeuchter 50 beschrieben. 2A bis 2C sind erklärende Ansichten des Befeuchters 50. Der Befeuchter 50, der in 2A bis 2C dargestellt ist, unterscheidet sich in einer Form von dem Befeuchter 50, der schematisch in 1 dargestellt ist, aber der Befeuchter 50 ist nicht auf die Form begrenzt, die in 2A bis 2C dargestellt ist. Der Befeuchter 50 hat ein Gehäuse 501, einen Gaseinlass 51a, einen Gasauslass 51b, einen Abgaseinlass 52a, einen Abgasauslass 52b, ein Verteilungsrohr 53a, ein Zusammenführungsrohr 53b, Dichtungsbauteile 54a, Dichtungsbauteile 54b und feuchtigkeitsdurchlässige Einheiten 55.
Das Gehäuse 501 hat eine im Wesentlichen rechteckige parallelflache Form und beherbergt das Verteilungsrohr 53a, das Zusammenführungsrohr 53b, die Dichtungsbauteile 54a und 54b und die feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten 55. Der Gaseinlass 51a und der Gasauslass 51b sind vorgesehen, um entsprechend von zwei Flächen des Gehäuses 501, die in der Z-Richtung entgegengesetzt zueinander sind, nach außen vorzustehen. Der Abgaseinlass 52a und der Abgasauslass 52b sind vorgesehen, um entsprechend von zwei Flächen des Gehäuses 501, die in der X-Richtung entgegengesetzt zueinander sind, nach außen vorzustehen. Ein Rohr ist mit jedem von dem Gaseinlass 51a und dem Gasauslass 51b verbunden und definiert einen Teil des vorstehend beschriebenen Zufuhrpfads 31. In gleicher Weise ist ein Rohr mit jedem von dem Abgaseinlass 52a und dem Abgasauslass 52b verbunden und definiert einen Teil des Abgabepfads 32. Das Gehäuse 501, der Gaseinlass 51a, der Gasauslass 51b, der Abgaseinlass 52a und der Abgasauslass 52b sind beispielsweise aus Metall hergestellt, aber nicht darauf begrenzt.
Das Verteilungsrohr 53a und das Zusammenführungsrohr 53b erstrecken sich in der Y-Richtung als die Längsrichtung und sind mit dem Gaseinlass 51a bzw. dem Gasauslass 51b verbunden. Das Verteilungsrohr 53a und das Zusammenführungsrohr 53b sind jeweils im Inneren des Gehäuses 501 an einem Ende und dem anderen Ende von diesen in der Z-Richtung angeordnet und sind im Wesentlichen bei der Mitte in der X-Richtung angeordnet. Der Gaseinlass 51a und der Gasauslass 51b sind entsprechend mit den äußeren Flächen des Verteilungsrohrs 53a und des Zusammenführungsrohrs 53b verbunden bzw. gefügt. Der Gaseinlass 51a und der Gasauslass 51b stehen entsprechend von Öffnungen vor, die an zwei Flächen des Gehäuses 501 ausgebildet sind, die in der Z-Richtung entgegengesetzt zueinander sind. Ein Verteilungspfad 531a und ein Zusammenführungspfad 531b sind in dem Verteilungsrohr 53a bzw. dem Zusammenführungsrohr 53b ausgebildet. Der Verteilungspfad 531a und der Zusammenführungspfad 531b sind mit dem Gaseinlass 51a bzw. dem Gasauslass 51b in Verbindung. Das Verteilungsrohr 53a und das Zusammenführungsrohr 53b sind beispielsweise aus Metall hergestellt aber nicht darauf beschränkt.
Eine Innenfläche des Verteilungsrohrs 53a ist mit Dichtungsbauteilen 54a verbunden, die Seite an Seite in der Y-Richtung angeordnet sind. Jedes Dichtungsbauteil 54a hat eine flache rohrförmige Form mit einem Boden, und die Längsrichtung von jedem Dichtungsbauteil 54a ist die X-Richtung. Der Bodenabschnitt des Dichtungsbauteils 54, das eine flache rohrförmige Form hat, ist mit einer Öffnung versehen, die mit dem Verteilungspfad 531a des Verteilungsrohrs 53a in Verbindung ist. Somit ist der Verteilungspfad 531a mit dem Raum innerhalb des Dichtungsbauteils 54a in Verbindung. In gleicher Weise ist eine Innenfläche des Zusammenführungsrohrs 53b mit den Dichtungsbauteilen 54b verbunden, die Seite an Seite in der Y-Richtung angeordnet sind. Jedes Dichtungsbauteil 54b hat eine flache rohrförmige Form mit einem Boden, und die Längsrichtung von jedem Dichtungsbauteil 54b ist die X-Richtung. Der Bodenabschnitt des Dichtungsbauteils 54b, das eine flache rohrförmige Form hat, ist mit einer Öffnung versehen, die mit dem Zusammenführungspfad 531b des Zusammenführungsrohrs 53b in Verbindung ist. Somit ist der Zusammenführungspfad 531b mit dem Raum im Inneren des Dichtungsbauteils 54b in Verbindung. Die Dichtungsbauteile 54a und 54b sind aus beispielsweise Gummi hergestellt.
Die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55 hat eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 und ein temperaturempfindliches Bauteil 57. Als die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 wird eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran, die eine flache Membranform hat, in eine flache rohrförmige Form wie die Dichtungsbauteile 54a und 54b ausgebildet. Umfangsränder von einem Ende und dem anderen Ende der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 sind entsprechend mit den Innenumfängen der Dichtungsbauteile 54a und 54b verbunden, die die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 halten. Deshalb sind die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 Seite an Seite in der Y-Richtung angeordnet. Eine Länge der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 in der Z-Richtung der Axialrichtung von dieser ist größer als jede Länge der Dichtungsbauteile 54a und 54b. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 ist ein Beispiel eines feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils mit einer Rohrform.
Das Kathodengas strömt von dem Gaseinlass 51a zu dem Verteilungspfad 531a des Verteilungsrohrs 53a, dem Inneren des Dichtungsbauteils 54a, dem Inneren der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56, dem Inneren des Dichtungsbauteils 54b, dem Zusammenführungspfad 531b des Zusammenführungsrohrs 53b und dem Gasauslass 51b in dieser Reihenfolge. Der Gaseinlass 51a, das Verteilungsrohr 53a, die Dichtungsbauteile 54a und 54b, das Zusammenführungsrohr 53b und der Gasauslass 51b sind ein Beispiel eines ersten Strömungspfadabschnitts, in dem eines von dem Kathodengas, das zu der Brennstoffzelle 20 zuzuführen ist, und dem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 strömt.
Die temperaturempfindlichen Bauteile 57 sind an der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht. Im Speziellen sind die temperaturempfindlichen Bauteile 57 jeweils an Abschnitten der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht, die von den Dichtungsbauteilen 54a und 54b freiliegen. Diese Abschnitte sind ein gekrümmter Abschnitt und der andere gekrümmte Abschnitt, die in der X-Richtung angeordnet sind, der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56. Die temperaturempfindlichen Bauteile 57 sind entsprechend an Außenflächen von dem einen gekrümmten Abschnitt und dem anderen gekrümmten Abschnitt angeordnet und erstrecken sich in der Z-Richtung. Deshalb sind die temperaturempfindlichen Bauteile 57 selbst auch gekrümmt. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 und die temperaturempfindlichen Bauteile 57 werden später im Detail beschrieben.
Der Abgaseinlass 52a und der Abgasauslass 52b sind mit dem Raum innerhalb des Gehäuses 501 und außerhalb der Dichtungsbauteile 54a und 54b und der feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten 55 in Verbindung. Somit wird das Kathodenabgas in das Gehäuse 501 von dem Abgaseinlass 52a eingeleitet, strömt außerhalb der Dichtungsbauteile 54a und 54b und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 und wird von dem Abgasauslass 52b abgegeben. Des Weiteren strömt das Kathodenabgas durch einen Spalt zwischen den Dichtungsbauteilen 54a, einen Spalt zwischen den Dichtungsbauteilen 54b und einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 im Inneren des Gehäuses 501. Der Abgaseinlass 52a und der Abgasauslass 52b sind Beispiele eines zweiten Strömungspfadabschnitts, in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas innerhalb des Gehäuses 501 und außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 strömt.
In der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 bewegen sich, in Abhängigkeit des Unterschieds eines Wasserdampfpartialdrucks zwischen den Gasen, die innerhalb bzw. an der Innenseite und außerhalb bzw. an der Außenseite strömen, Wassermoleküle in der Membran. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt das Kathodengas, das durch den Kompressor 33 komprimiert wird und durch den Zwischenkühler 36 gekühlt wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 und das Kathodenabgas strömt außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56. Hier ist der Wasserdampfpartialdruck des Kathodenabgases höher als der des Kathodengases aufgrund von Wasser, das durch die Leistungserzeugungsreaktion der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird. Deshalb bewegt sich eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas enthalten ist, zu dem Kathodengas durch die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 hindurch, was das Kathodengas befeuchtet.
Als Nächstes wird das temperaturempfindliche Bauteil 57 im Detail beschrieben. 3A bis 3C sind Außenansichten der feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55. Das temperaturempfindliche Bauteil 57 ist in Erwiderung auf die Temperatur verformbar. Im Speziellen verringert sich eine Krümmung der gekrümmten Form des temperaturempfindlichen Bauteils 57, wenn sich die Temperatur von diesem verringert. Das heißt die Krümmung der gekrümmten Form des temperaturempfindlichen Bauteils 57 ist in einem Zustand mit einer relativ hohen Temperatur relativ groß. Die Krümmung der gekrümmten Form des temperaturempfindlichen Bauteils 57 in einem Zustand mit einer relativ niedrigen Temperatur ist relativ klein. 3A und 3B stellen die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55 in dem Hochtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57 dar. 3C stellt die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55 in dem Niedrigtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57 dar. Wie in 3A und 3B dargestellt ist, ist die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 in dem Hochtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verformt, um lang in der X-Richtung und klein in der Y-Richtung zu sein. Im Gegensatz dazu ist die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 in dem Niedrigtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verformt, um kurz in der X-Richtung und lang in der Y-Richtung zu sein. Das heißt die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 wird verformt, um in dem Hochtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57 noch flacher zu sein im Vergleich zu dem Niedrigtemperaturzustand. 2A bis 2C stellen den Befeuchter 50 in dem Hochtemperaturzustand der temperaturempfindlichen Bauteile 57 dar.
3D ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des temperaturempfindlichen Bauteils 57. Das temperaturempfindliche Bauteil 57 ist ein Bimetall, das durch Bonden von zwei Metallplatten 571 und 573 mit unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Die Metallplatte 571 ist an der Außenfläche des gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht. Die Metallplatte 573 ist an der Metallplatte 571 angebracht. Das heißt das temperaturempfindliche Bauteil 57 ist gekrümmt, um außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 vorzustehen, und die Metallplatte 573 ist näher zu der Außenseite als die Metallplatte 571. Hier ist die Metallplatte 571 aus einem Material gemacht, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner ist als der der Metallplatte 573. Deshalb dehnen sich beide Metallplatten 571 und 573 in dem Hochtemperaturzustand aus, aber der Unterschied eines Ausdehnungsbetrags zwischen den Metallplatten 571 und 573 erhöht sich, und die Krümmung der temperaturempfindlichen Bauteile 57 erhöht sich. Beide Metallplatten 571 und 573 ziehen sich in dem Niedrigtemperaturzustand zusammen im Vergleich zu dem Hochtemperaturzustand, aber der Unterschied des Ausdehnungsbetrags zwischen den Metallplatten 571 und 573 verringert sich und die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verringert sich. In solch einer Weise verringert sich die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57, wenn sich die Temperatur verringert, und dann wird das temperaturempfindliche Bauteil 57 verformt, wie vorstehend beschrieben ist.
4A bis 4C sind erklärende Ansichten des Befeuchters 50 in dem Niedrigtemperaturzustand des temperaturempfindlichen Bauteils 57. Wie vorstehend beschrieben ist, verringert sich die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57, wenn sich die Temperatur von diesem verringert, und das eine Ende und das andere Ende der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 sind entsprechend mit den Dichtungsbauteilen 54a und 54b verbunden. Deshalb wird die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 zwischen den Dichtungsbauteilen 54a und 54b teilweise verformt. Da die feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten 55 Seite an Seite in der Y-Richtung angeordnet sind, werden die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 derart verformt, dass sich der Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 in der Y-Richtung verringert, wenn sich die Temperatur der temperaturempfindlichen Bauteile 57 verringert. Eine Verringerung des Spalts zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 erhöht einen Druckverlust des Kathodenabgases, das durch den Spalt zwischen diesen hindurchströmt, was die Strömungsrate des Kathodenabgases verringert, das durch diesen Spalt hindurchströmt. Das heißt die Strömungsrate des Kathodenabgases, das durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 hindurchströmt, verringert sich, wenn sich die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verringert. Somit verringert sich die Menge einer Feuchtigkeit, die sich von dem Kathodenabgas zu dem Kathodengas über die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 bewegt, wenn sich die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verringert, was eine Befeuchtungsmenge des Kathodengases in dem Befeuchter 50 verringert. Das heißt die Befeuchtungsmenge des Kathodengases erhöht sich in dem Hochtemperaturzustand, wohingegen die Befeuchtungsmenge des Kathodengases sich in dem Niedrigtemperaturzustand verringert.
Da das temperaturempfindliche Bauteil 57 zu dem Kathodenabgas freiliegt, wird das temperaturempfindliche Bauteil 57 durch die Temperatur des Kathodenabgases beeinflusst. Das temperaturempfindliche Bauteil 57 liegt nicht direkt zu dem Kathodengas frei, aber das temperaturempfindliche Bauteil 57 wird durch die Temperatur des Kathodengases über die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 beeinflusst. Hier erhöht beispielsweise eine Erhöhung der Leistung der Brennstoffzelle 20 die Temperatur der Brennstoffzelle 20 aufgrund einer Erhöhung eines Leistungserzeugungsbetrags der Brennstoffzelle 20. Dies erhöht die Temperatur des Kathodenabgases. Wenn die erforderte Leistung der Brennstoffzelle 20 sich erhöht, steuert die Steuerungsvorrichtung 10 die Drehzahl des Kompressors 33, um sich zu erhöhen, um die Zufuhrmenge des Kathodengases zu der Brennstoffzelle 20 zu erhöhen. Dies erhöht die Temperatur des Kathodengases, das durch den Kompressor 33 komprimiert wird. In solch einer Weise erhöht die Erhöhung der Leistung der Brennstoffzelle 20 die Temperaturen des Kathodenabgases, des Kathodengases und der Brennstoffzelle 20. Demzufolge erhöht die Erhöhung der Leistung der Brennstoffzelle 20 auch die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils 57, was die Befeuchtungsmenge des Kathodengases erhöht.
Darüber hinaus verringert eine Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle 20 die Temperatur der Brennstoffzelle 20 aufgrund der Leistungserzeugungsreaktion in der Brennstoffzelle 20, was die Temperatur des Kathodenabgases verringert. Wenn sich die erforderte Leistung der Brennstoffzelle 20 verringert, steuert die Steuerungsvorrichtung 10 die Drehzahl des Kompressors 33, um sich zu verringern, um die Zufuhrmenge des Kathodengases zu der Brennstoffzelle 20 zu verringern. Dies verringert die Temperatur des Kathodengases, das durch den Kompressor 33 komprimiert wird. In solch einer Weise verringert die Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle 20 die Temperaturen des Kathodenabgases, des Kathodengases und der Brennstoffzelle 20. Demzufolge verringert die Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle 20 die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils 57, was die Befeuchtungsmenge des Kathodengases verringert.
Beispielsweise wird ein Kathodengas mit einer hohen Feuchtigkeit zu der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit einer niedrigen Temperatur der Brennstoffzelle 20 zugeführt, was kondensiertes Wasser in der Brennstoffzelle 20 erzeugen könnte, und dann könnte ein Fluten auftreten. Des Weiteren wird Kathodengas mit einer niedrigen Feuchtigkeit zu der Brennstoffzelle 20 zu der Zeit einer hohen Temperatur der Brennstoffzelle 20 zugeführt, was die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 20 trocken machen könnte. Mit dem Befeuchter 50 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erhöht sich, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 hoch ist, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases, und dann wird demzufolge das Kathodengas mit einer hohen Feuchtigkeit zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 20 niedrig ist, verringert sich die Befeuchtungsmenge des Kathodengases, und das Kathodengas mit einer niedrigen Feuchtigkeit wird zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. In solch einer Weise kann der Befeuchter 50 die Befeuchtungsmenge des Kathodengases in geeigneter Weise einstellen, wodurch das Auftreten der vorstehenden Probleme unterdrückt wird. Dies beseitigt auch die Notwendigkeit eines Vorbeiführungspfads, der bewirkt, dass das Kathodenabgas an dem Befeuchter 50 vorbeigeführt wird, und die Notwendigkeit eines Vorbeiführungsventils, das die Vorbeiführungsmenge des Kathodenabgases einstellt. Mit einem einfachen Aufbau ist es deshalb möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases in geeigneter Weise einzustellen.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel ist der Zustand, in dem die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 nicht miteinander in Kontakt sind, als der Niedrigtemperaturzustand dargestellt, aber die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 können verformt sein, um miteinander in Kontakt zu sein. In diesem Zustand strömt das Kathodenabgas im Wesentlichen nicht durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56, wodurch die Befeuchtungsmenge weiter verringert wird.
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sind die vier feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten 55 vorgesehen, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Wenigstens zwei feuchtigkeitsdurchlässige Einheiten 55 können vorgesehen werden. Wenigstens eine feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55 mit dem temperaturempfindlichen Bauteil 57 kann vorgesehen sein. Beispielsweise sind nur zwei feuchtigkeitsdurchlässige Membranen 56 vorgesehen, und das temperaturempfindliche Bauteil 57 kann an nur einer der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 angebracht sein. Dies ist so, weil sich der Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 in diesem Fall auch in Erwiderung auf die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils 57 ändert, und die Befeuchtungsmenge des Kathodengases kann eingestellt werden. Zusätzlich kann, obwohl zwei temperaturempfindliche Bauteile 57 an der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht sind, wenigstens ein temperaturempfindliches Bauteil 57 mit diesen vorgesehen sein.
Als Nächstes werden Variationen beschrieben. In der Beschreibung der folgenden Variationen sind die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und eine doppelte Beschreibung ist weggelassen. 5A bis 5C sind erklärende Ansichten eines Befeuchters 50a gemäß einer Variation. 5A und 5B stellen den Befeuchter 50a in dem Hochtemperaturzustand der temperaturempfindlichen Bauteile 57 dar, und 5C stellt den Befeuchter 50a in dem Niedrigtemperaturzustand der temperaturempfindlichen Bauteile 57 dar. Trennrohre 59, die sich in der X-Richtung erstrecken, sind zwischen den Dichtungsbauteilen 54a und zwischen den Dichtungsbauteilen 54b angeordnet. Mit anderen Worten gesagt ist das Trennrohr 59 an solch einer Position angeordnet, um nicht mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55 einzugreifen, die in dem Niedrigtemperaturzustand verformt ist. Das Trennrohr 59 erstreckt sich länger als die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55 in der X-Richtung. Ein Teil des Kathodenabgases, das von dem Abgaseinlass 52a in das Gehäuse 501 eingeleitet wird, wird von dem Abgasauslass 52b durch das Trennrohr 59 abgegeben. Hier wird das Kathodenabgas, nachdem es einmal durch das Trennrohr 59 geströmt ist, von dem Gehäuse 501 abgegeben, ohne durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 hindurchzugehen. Beispielsweise ist es in dem Niedrigtemperaturzustand deshalb möglich, die Strömungsrate des Kathodenabgases weiter zu verringern, das durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 hindurch strömt. Dies kann die Befeuchtungsmenge des Kathodengases in dem Niedrigtemperaturzustand weiter verringern.
Zusätzlich kann ein Trennrohr 59 entweder zwischen den Dichtungsbauteilen 54a oder zwischen den Dichtungsbauteilen 54b angeordnet sein. Das Trennrohr 59 hat, ist aber nicht begrenzt auf, eine flache Kreisform aus Sicht in der X-Richtung, die die Axialrichtung von diesem ist. Das Trennrohr 59 kann eine im Wesentlichen elliptische Form, eine Form eines im Wesentlichen perfekten Kreises oder eine im Wesentlichen rechteckige Form haben. Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein rohrförmiges Bauteil wie das Trennrohr 59 beschränkt. Beispielsweise kann eine Trennplatte einen von dem Raum zwischen den Dichtungsbauteilen 54a und dem Raum zwischen den Dichtungsbauteilen 54b und dem Raum zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Einheiten 55 unterteilen.
6A und 6B sind erklärende Ansichten einer feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55a gemäß einer Variation. In der feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55a ist das temperaturempfindliche Bauteil 57 an einer Innenfläche des gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht. Das heißt die Metallplatte 573, die einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der der Metallplatte 571, ist an der Innenfläche des gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht. Die Metallplatte 571 ist näher zu der Innenseite als die Metallplatte 573. Selbst in diesem Fall wird das temperaturempfindliche Bauteil 57 durch die Temperaturen des Kathodenabgases und des Kathodengases beeinflusst, und die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57 verringert sich, wenn sich die Temperatur von diesem verringert. Dies stellt in geeigneter Weise die Befeuchtungsmenge des Kathodengases ein. Auch in dieser Variation kann nur ein temperaturempfindliches Bauteil 57 für die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 vorgesehen sein. Des Weiteren können die temperaturempfindlichen Bauteile 57 an sowohl einer Innenfläche als auch einer Außenfläche des gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 angebracht sein.
6C ist eine erklärende Ansicht einer feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55b gemäß einer Variation. Ein Heizelement 57h ist an einem temperaturempfindlichen Bauteil 57b fixiert. Das Heizelement 57h ist mit der Steuerungsvorrichtung 10 elektrisch verbunden. Die Steuerungsvorrichtung 10 steuert einen Energiebeaufschlagungszustand des Heizelements 57h. Die Energiebeaufschlagung des Heizelements 57h erzeugt Wärme, die das temperaturempfindliche Bauteil 57b erwärmt. Das Heizelement 57h ist beispielsweise ein Peltier-Element.
Die Steuerungsvorrichtung 10 steuert den Energiebeaufschlagungszustand des Heizelements 57h gemäß der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20. Wenn beispielsweise die erforderte Leistung der Brennstoffzelle 20 gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, beginnt die Steuerungsvorrichtung 10 eine Energiebeaufschlagung des Heizelements 57h, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu erwärmen, was die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57b erhöht. Dies kann die Befeuchtungsmenge des Kathodengases gemäß der Erhöhung der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 erhöhen. Darüber hinaus kann die Steuerungsvorrichtung 10, wenn eine Erhöhungsrate pro Einheit Zeit der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, eine Energiebeaufschlagung des Heizelements 57h beginnen, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu erwärmen. In diesem Fall ist es möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases mit einer hohen Ansprechempfindlichkeit auf die Erhöhung der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 zu erhöhen. Des Weiteren kann die Steuerungsvorrichtung 10 den Energiebeaufschlagungszustand des Heizelements 57h gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle 20 steuern. Wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle 20 gleich wie oder höher als ein vorbestimmter Wert ist, kann die Steuerungsvorrichtung 10 eine Energiebeaufschlagung des Heizelements 57h beginnen, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu erwärmen. In diesem Fall ist es möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf die Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu erhöhen.
In dieser Variation kann, obwohl das Heizelement 57h nur in dem temperaturempfindlichen Bauteil 57b von den temperaturempfindlichen Bauteilen 57 und 57b, die für eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 vorgesehen sind, vorgesehen ist, das Heizelement 57h in dem anderen temperaturempfindlichen Bauteil 57 vorgesehen sein. Des Weiteren kann das temperaturempfindliche Bauteil 57 nicht außerhalb bzw. an der Außenseite, sondern innerhalb bzw. an der Innenseite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 vorgesehen sein.
Statt des Heizelements 57h kann ein Kühlungselement zum Kühlen des temperaturempfindlichen Bauteils 57b durch Energiebeaufschlagung verwendet werden. Auch in diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 10 den Energiebeaufschlagungszustand des Kühlungselements gemäß der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20. Wenn beispielsweise die erforderte Leistung der Brennstoffzelle 20 kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, kann die Steuerungsvorrichtung 10 eine Energiebeaufschlagung des Kühlungselements beginnen, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu kühlen, was die Krümmung des temperaturempfindlichen Bauteils 57b verringert. Es ist deshalb möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases gemäß der Verringerung der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 zu verringern. Wenn darüber hinaus eine Verringerungsrate pro Einheit Zeit der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, kann die Steuerungsvorrichtung 10 eine Energiebeaufschlagung des Kühlungselements beginnen, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu kühlen. In diesem Fall ist es möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases mit einer hohen Ansprechempfindlichkeit auf die Verringerung der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 zu verringern. Des Weiteren kann die Steuerungsvorrichtung 10 den Energiebeaufschlagungszustand des Kühlungselements gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle 20 steuern. Wenn beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle 20 kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, kann die Steuerungsvorrichtung 10 eine Energiebeaufschlagung des Kühlungselements beginnen, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu kühlen. In diesem Fall ist es möglich, die Befeuchtungsmenge des Kathodengases mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf die Verringerung der Temperatur der Brennstoffzelle 20 zu verringern. Darüber hinaus kann die Temperatur der Brennstoffzelle 20 auf der Basis eines Erfassungswerts des Temperatursensors 48 geschätzt werden, der die Kältemitteltemperatur erfasst, die von einem Sensor erhalten wird, der die Temperatur der Brennstoffzelle 20 direkt erfasst, oder die in einer anderen Weise erhalten wird.
Das Heizelement 57h und das Kühlungselement, die vorstehend beschrieben sind, können in einem temperaturempfindlichen Bauteil 57b vorgesehen sein, und der Zustand kann sich zwischen der Energiebeaufschlagung von nur einem von dem Heizelement 57h und dem Kühlungselement, der Energiebeaufschlagung des anderen, der Nichtenergiebeaufschlagung von beiden gemäß der erforderten Leistung der Brennstoffzelle 20 und der Temperatur von dieser ändern. Des Weiteren müssen das Heizelement 57h oder das Kühlungselement nicht immer in direktem Kontakt mit dem temperaturempfindlichen Bauteil 57b sein, sondern können innerhalb des Gehäuses 501 an beispielsweise einer Position vorgesehen sein, die zu einem gewissen Ausmaß beabstandet ist, um das temperaturempfindliche Bauteil 57b zu erwärmen oder zu kühlen.
Das Kühlungselement kann ein Peltier-Element sein, das als das Heizelement 57h verwendet wird, das vorstehend beschrieben ist. Im Speziellen kann das Peltier-Element als das Kühlungselement verwendet werden, indem die Richtung eines Stroms, der durch das Peltier-Element fließt, das als das Heizelement 57h verwendet wird, umgekehrt wird. Deshalb kann das einzelne Peltier-Element als das Heizelement oder das Kühlungselement durch Ändern der Energiebeaufschlagungsrichtung des einzelnen Peltier-Elements in Abhängigkeit von der Situation verwendet werden.
6D ist eine erklärende Ansicht einer feuchtigkeitsdurchlässigen Einheit 55c gemäß einer Variation. Ein temperaturempfindliches Bauteil 57c hat gekrümmte Abschnitte 57c1 und Verbindungsabschnitte 57c3. Der Verbindungsabschnitt 57c3 ist beispielsweise aus synthetischem Harz gemacht und hat eine Form einer dünnen Stange, die sich in der Z-Richtung parallel zu der Axialrichtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 entlang des gekrümmten Abschnitts von dieser erstreckt. Die Verbindungsabschnitte 57c3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Der gekrümmte Abschnitt 57c1 hat eine gekrümmte fadenartige Form und ist an den Verbindungsabschnitten 57c3 im Wesentlichen senkrecht zu diesen fixiert. Die gekrümmten Abschnitte 57c1 sind im Wesentlichen parallel zueinander und in Abständen in der Z-Richtung angeordnet. Die gekrümmten Abschnitte 57c1 sind über den Verbindungsabschnitt 57c3 miteinander verbunden. Der gekrümmte Abschnitt 57c1 ist beispielsweise auch aus zwei Metallen mit unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, in Erwiderung auf die Temperatur verformbar, und die Krümmung verringert sich, wenn sich die Temperatur verringert. Des Weiteren liegt die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 von den Spalten zwischen den gekrümmten Abschnitten 57c1 und den Verbindungsabschnitten 57c3 teilweise frei. Das heißt das temperaturempfindliche Bauteil 57c ist ein Beispiel eines porösen Körpers, der zu der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 teilweise freiliegt. Deshalb ist der Bereich bzw. die Fläche des temperaturempfindlichen Bauteils 57c, der/die die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 bedeckt, klein im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen temperaturempfindlichen Bauteil 57. Dies gewährleistet den Bereich bzw. die Fläche, wo das Kathodenabgas die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 berührt. Es ist somit möglich, die Menge von Feuchtigkeit zu gewährleisten, die sich von dem Kathodenabgas zu dem Kathodengas bewegt, und das Kathodengas effizient zu befeuchten.
Das temperaturempfindliche Bauteil 57c kann nicht außerhalb bzw. an der Außenseite, sondern innerhalb bzw. an der Innenseite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 vorgesehen sein. Nur ein temperaturempfindliches Bauteil 57c kann für eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 56 vorgesehen sein. Wenigstens eines von dem Heizelement und dem Kühlungselement, die vorstehend beschrieben sind, können in dem temperaturempfindlichen Bauteil 57c vorgesehen sein. Des Weiteren ist, wie bei dem temperaturempfindlichen Bauteil 57c, das vorstehend beschrieben ist, der Verbindungsabschnitt 57c3 nicht darauf beschränkt, dass er aus synthetischem Harz gemacht ist, und er kann beispielsweise aus Metall gemacht sein. In diesem Fall kann er aus einer Art von Metall gemacht sein, um die Krümmung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56 um die Achse von dieser aufgrund einer Änderung einer Umgebungstemperatur nicht zu ändern. In dem Fall, in dem der Verbindungsabschnitt 57c3 aus Metall gemacht ist, kann der Verbindungsabschnitt 57c3 aus dem gleichen Material wie eine der Metallplatten des gekrümmten Abschnitts 57c1 gemacht sein. Beispielsweise kann, um das temperaturempfindliche Bauteil 57c herzustellen, ein netzförmiges Metallbauteil mit einem gekrümmten Abschnitt von Metallmaterialien kombiniert werden, die unterschiedliche lineare Ausdehnungskoeffizienten haben.
7A und 7B sind erklärende Ansichten eines Befeuchters 50d gemäß einer Variation. Der Befeuchter 50d hat ein Gehäuse 502, den Gaseinlass 51a, den Gasauslass 51b, den Abgaseinlass 52a, den Abgasauslass 52b, ein Verteilungsrohr 53a1, ein Zusammenführungsrohr 53b1 und die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55d. Das Gehäuse 502 beherbergt das Verteilungsrohr 53a1, das Zusammenführungsrohr 53b1 und die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55d. Das Gehäuse 502 hat eine im Wesentlichen säulenartige Form und eine im Wesentlichen elliptische Form aus Sicht in der Z-Richtung. Das Verteilungsrohr 53a1 und das Zusammenführungsrohr 53b1 haben jeweils eine Plattenform, die in der Z-Richtung dünn ist, und haben jeweils eine im Wesentlichen elliptische Form aus Sicht in der Z-Richtung, um der Form des Gehäuses 502 zu entsprechen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55d ist zwischen dem Verteilungsrohr 53a1 und dem Zusammenführungsrohr 53b1 angeordnet.
Die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55d hat Hohlfasermembranen 56d und ein einzelnes temperaturempfindliches Bauteil 57d. Die Hohlfasermembranen 56d, die sich in der Z-Richtung erstrecken, sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die einen Enden der Hohlfasermembranen 56d sind an dem Verteilungsrohr 53a1 fixiert, und die anderen Enden sind an dem Zusammenführungsrohr 53b1 fixiert. Darüber hinaus ist das Verteilungsrohr 53a1 mit einem Strömungspfad versehen, der mit dem Inneren bzw. der Innenseite des Gaseinlasses 51a in Verbindung ist und auch mit dem Inneren bzw. der Innenseite der Hohlfasermembranen 56d in Verbindung ist. In gleicher Weise ist das Zusammenführungsrohr 53b1 mit einem Strömungspfad versehen, der mit dem Inneren bzw. der Innenseite des Gasauslasses 51b in Verbindung ist und auch mit dem Inneren bzw. der Innenseite der Hohlfasermembranen 56d in Verbindung ist. Die Hohlfasermembran 56d hat eine zylindrische Form mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56, die vorstehend beschrieben ist. Die Hohlfasermembran 56d ist ein Beispiel eines feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils mit einer Rohrform.
Das Kathodengas strömt durch den Gaseinlass 51a, das Verteilungsrohr 53a1, die Hohlfasermembranen 56d, das Zusammenführungsrohr 53b1 und den Gasauslass 51b in dieser Reihenfolge hindurch. Der Gaseinlass 51a, das Verteilungsrohr 53a1, das Zusammenführungsrohr 53b1 und der Gasauslass 51b sind ein Beispiel eines ersten Strömungspfadabschnitts, in dem eines von dem Kathodengas, das zu der Brennstoffzelle 20 zuzuführen ist, und dem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird, im Inneren der Hohlfasermembranen 56d strömt, die jeweils eine Rohrform haben.
Das temperaturempfindliche Bauteil 57d hat im Wesentlichen eine Rohrform, bündelt die Hohlfasermembranen 56d und ist ein Metallnetz. Deshalb ist das temperaturempfindliche Bauteil 57d ein Beispiel eines porösen Körpers, der zu den Hohlfasermembranen 56d teilweise freiliegt. Das temperaturempfindliche Bauteil 57d hat gekrümmte Abschnitte 57d1 und flache Abschnitte 57d3. Die gekrümmten Abschnitte 57d1 sind gekrümmt, um die Hohlfasermembranen 56d zu greifen bzw. zu packen. Die gekrümmten Abschnitte 57d1 und die flachen Abschnitte 57d3 werden später im Detail beschrieben. Eine Länge des temperaturempfindlichen Bauteils 57d in der Z-Richtung ist kleiner als die der Hohlfasermembran 56d, deren Längsrichtung die Z-Richtung ist.
Das Kathodenabgas wird in das Gehäuse 502 von dem Abgaseinlass 52a eingeleitet und strömt um die feuchtigkeitsdurchlässige Einheit 55d herum und wird von dem Abgasauslass 52b abgegeben. Da das temperaturempfindliche Bauteil 57d das Netz ist, strömt ein Teil des Kathodenabgases innerhalb des temperaturempfindlichen Bauteils 57d von Netzspalten von diesem und strömt außerhalb der Hohlfasermembranen 56d. Der Abgaseinlass 52a und der Abgasauslass 52b sind ein Beispiel eines zweiten Strömungspfadabschnitts, in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb der Hohlfasermembranen 56d im Inneren des Gehäuses 502 strömt.
Hier hat die Hohlfasermembran 56d eine zylindrische Form mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 56, die vorstehend beschrieben ist, und Wassermoleküle bewegen sich im Inneren der Membran in Abhängigkeit einer Differenz von Wasserdampfpartialdrücken von Gasen, die an der Innenseite und der Außenseite von dieser strömen. Das Kathodengas strömt innerhalb der Hohlfasermembranen 56d und das Kathodenabgas strömt außerhalb von diesen, und dann bewegt sich eine Feuchtigkeit von dem Kathodenabgas zu dem Kathodengas über die Hohlfasermembranen 56d, was das Kathodengas befeuchtet. Des Weiteren erhöhen die Hohlfasermembranen 56d die wirksame Membranfläche pro Einheit Volumen.
Die gekrümmten Abschnitte 57d1 des temperaturempfindlichen Bauteils 57 sind gekrümmt und über die Hohlfasermembranen 56d einander zugewandt. Mit anderen Worten gesagt sind die Hohlfasermembranen 56d innerhalb bzw. an der Innenseite der zwei gekrümmten Abschnitte 57d1 positioniert, die gekrümmt sind, um zu der Außenseite bzw. nach außen vorzustehen. Die flachen Abschnitte 57d3 haben jeweils eine im Wesentlichen flache Form und sind über die Hohlfasermembranen 56d einander zugewandt. Die gekrümmten Abschnitte 57d1 sind in Erwiderung auf die Temperatur verformbar und jede Krümmung von diesen erhöht sich in dem Niedrigtemperaturzustand im Vergleich zu dem Hochtemperaturzustand. Darüber hinaus dehnt sich der flache Abschnitt 57d3 geringfügig aus und zieht sich zusammen gemäß der Temperatur, aber die Krümmung ändert sich im Wesentlichen nicht.
7C ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des gekrümmten Abschnitts 57d1 des temperaturempfindlichen Bauteils 57d. Der gekrümmte Abschnitt 57d1 ist ein Bimetall, das durch Bonden von zwei Metallnetzen 571d und 573d, die unterschiedliche lineare Ausdehnungskoeffizienten haben, gebildet ist. Das Netz 571d ist außerhalb bzw. an der Außenseite des gekrümmten Netzes 573d positioniert, und das Netz 573d ist an der Seite der Hohlfasermembran 56d positioniert. Das Netz 571d ist an einer Position angeordnet, um die Hohlfasermembranen 56d nicht zu berühren. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Netzes 571d ist kleiner als der des Netzes 573d. Aus diesem Grund erhöht sich die Differenz eines Ausdehnungsbetrags zwischen den Netzen 573d und 571d in dem Hochtemperaturzustand und dann verringert sich die Krümmung des gekrümmten Abschnitts 57d1. Im Vergleich zu dem Hochtemperaturzustand verringert sich in dem Niedrigtemperaturzustand die Differenz des Ausdehnungsbetrags zwischen den Netzen 573d und 571d, und dann erhöht sich die Krümmung des gekrümmten Abschnitts 57d1. Das heißt die Krümmung des gekrümmten Abschnitts 57d1 erhöht sich, wenn sich die Temperatur verringert.
8A und 8B sind erklärende Ansichten des Befeuchters 50d in dem Niedrigtemperaturzustand. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Krümmung des gekrümmten Abschnitts 57d1 in dem Niedrigtemperaturzustand größer als in dem Hochtemperaturzustand und dann werden die Hohlfasermembranen 56d durch das temperaturempfindliche Bauteil 57d verformt und teilweise zerdrückt. 9A und 9B sind Ansichten, die Spalten zwischen den Hohlfasermembranen 56d in dem Hochtemperaturzustand bzw. in dem Niedrigtemperaturzustand der gekrümmten Abschnitte 57d1 darstellen. In dem Hochtemperaturzustand sind die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d relativ groß, was die Strömungsrate des Kathodenabgases sicherstellt, das durch die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d strömt. In dem Niedrigtemperaturzustand ist die Krümmung des gekrümmten Abschnitts 57d1 geändert, um die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d zu verringern, was den Druckverlust des Kathodenabgases erhöht, das durch die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d strömt. Somit verringert sich die Strömungsrate des Kathodenabgases, das durch die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d strömt. Deshalb wird der gekrümmte Abschnitt 57d1 derart verformt, dass sich die Spalte zwischen den Hohlfasermembranen 56d verringern, wenn sich die Temperatur der gekrümmten Abschnitte 57d1 verringert, was die Befeuchtungsmenge des Kathodengases verringert. Da ein Druck des Kathodengases höher ist als der des Kathodenabgases aufgrund der Kompression des Kompressors 33, und das Kathodengas innerhalb der Hohlfasermembran 56d strömt, werden die Hohlfasermembranen 56d nicht zerdrückt, selbst, wenn die Hohlfasermembranen 56d komprimiert und verformt werden, wie in 8B dargestellt ist.
Das temperaturempfindliche Bauteil 57d kann mit nur einem gekrümmten Abschnitt 57d1 versehen sein, der in Erwiderung auf die Temperatur verformbar ist. Ein Element zum Erwärmen oder zum Kühlen des gekrümmten Abschnitts 57d1 kann vorgesehen sein.
Obwohl einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, variiert oder geändert werden.
In dem Ausführungsbeispiel und den Variationen, die vorstehend beschrieben sind, kann das Kathodenabgas innerhalb des rohrförmigen feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils strömen, und das Kathodengas kann außerhalb des rohrförmigen feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils strömen. In diesem Fall, wenn der Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen klein ist, verringert sich die Strömungsrate des Kathodengases, das durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen strömt, was die Befeuchtungsmenge des Kathodengases verringert. Wenn der Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen groß ist, erhöht sich die Strömungsrate des Kathodengases, das durch den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen strömt, was die Befeuchtungsmenge des Kathodengases erhöht. Auch in diesem Fall wird die Befeuchtungsmenge des Kathodengases in geeigneter Weise eingestellt.
In dem Ausführungsbeispiel und den Variationen, die vorstehend beschrieben sind, ist das Bimetall als ein Beispiel des temperaturempfindlichen Bauteils beschrieben, aber das temperaturempfindliche Bauteil ist nicht darauf beschränkt. Das temperaturempfindliche Bauteil kann beispielsweise eine Formspeicherlegierung sein, die in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist. Auch in dem Fall der Formspeicherlegierung ist, wie in 2A bis 6D dargestellt ist, die Formspeicherlegierung derart ausgebildet, dass sich die Krümmung von ihr verringert und sich der Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 56 verringert, wenn sich die Temperatur der Formspeicherlegierung verringert. In den Beispielen von 7A bis 8B ist die Formspeicherlegierung derart ausgebildet, dass sich die Krümmung von ihr erhöht und sich der Spalt zwischen den Hohlfasermembranen 56d verringert, wenn sich die Temperatur der Formspeicherlegierung verringert. Des Weiteren kann ein Teil des einzelnen temperaturempfindlichen Bauteils ein Bimetall sein und der andere Abschnitt kann eine Formspeicherlegierung sein. Auch in diesem Fall können sich das Bimetall und die Formspeicherlegierung in Zusammenwirkung miteinander verformen, um den Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen zu verringern, wenn sich die Temperatur des temperaturempfindlichen Bauteils verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006156203 A [0002]

Claims

Befeuchter mit: feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen (56, 56d), die jeweils eine rohrförmige Form haben; einem Gehäuse (501, 502), das die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) beherbergt; einem ersten Strömungspfadabschnitt (51a, 53a, 54a, 54b, 53b, 51b), in dem eines von einem Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle (20) zuzuführen ist, und einem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle (20) abgegeben wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) strömt; einem zweiten Strömungspfadabschnitt (52a, 52b), in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) im Inneren des Gehäuses (501, 502) strömt; und einem temperaturempfindlichen Bauteil (57, 57b, 57c, 57d), das an wenigstens einem der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) angebracht ist, das in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist und das sich verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen (56, 56d) zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil (56) eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (56) ist, und das temperaturempfindliche Bauteil (57, 57b, 57c) an wenigstens einer von einer Innenseite und einer Außenseite eines gekrümmten Abschnitts der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran (56) angebracht ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, wobei die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56d) Hohlfasermembranen (56d) sind, und das temperaturempfindliche Bauteil (57d) gekrümmt ist, um die Hohlfasermembranen (56d) zu greifen.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren mit einem Element (57h), das gestaltet ist, um wenigstens eines von einem Erwärmen und einem Kühlen des temperaturempfindlichen Bauteils (57b) durchzuführen.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das temperaturempfindliche Bauteil (57c, 57d) ein poröser Körper ist, der zu dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil (56, 56d) teilweise freiliegt.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das temperaturempfindliche Bauteil (57, 57b, 57c, 57d) wenigstens eines von einem Bimetall und einer Formspeicherlegierung umfasst.
Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle (20); und einem Befeuchter (50), wobei der Befeuchter (50) Folgendes hat: feuchtigkeitsdurchlässige Bauteile (56, 56d), die jeweils eine rohrförmige Form haben; ein Gehäuse (501, 502), das die feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) beherbergt; einen ersten Strömungspfadabschnitt (51a, 53a, 54a, 54b, 53b, 51b), in dem eines von einem Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle (20) zuzuführen ist, und einem Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle (20) abgegeben wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) strömt; einen zweiten Strömungspfadabschnitt (52a, 52b), in dem das andere von dem Kathodengas und dem Kathodenabgas außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) im Inneren des Gehäuses (501, 502) strömt; und ein temperaturempfindliches Bauteil (57, 57b, 57c, 57d), das an wenigstens einem der feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteile (56, 56d) angebracht ist, das in Erwiderung auf eine Temperatur verformbar ist und das sich verformt, um einen Spalt zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen (56, 56d) zu verringern, wenn sich die Temperatur verringert.