DE102018120550A1

DE102018120550A1 - Kühlungs- und befeuchtungsvorrichtung und brennstoffzellensystem mit derselben

Info

Publication number: DE102018120550A1
Application number: DE102018120550.3A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Shinozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN109494386A; JP6806010B2; US20190081335A1; CN109494386B; JP2019053834A; US10847818B2

Abstract

Eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung weist einen Kühlungsabschnitt, einen Befeuchtungsabschnitt und ein Gehäuse auf, das einen Kathodengaseinlass aufweist, der mit einem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und einen Kühlungsabschnitt und einen Befeuchtungsabschnitt derart aufnimmt, dass erste und zweite Kathodengasströmungswege miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist. Ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil des Befeuchtungsabschnitts hat eine Rohrform, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, wobei eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt. Das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil kann alternativ eine ebene Form haben, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, wobei eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt. Das Gehäuse weist eine untere Wand auf, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist. Der Kathodengaseinlass ist senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung und auf ein Brennstoffzellensystem mit derselben.
STAND DER TECHNIK
Es ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Kathodengases, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, und eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten des Kathodengases aufweist. Zum Beispiel sind in der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2008-108473 eine Kühlungseinrichtung und eine Befeuchtungseinrichtung miteinander integriert und bewegt sich eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, zu einer Kathodenseite durch ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil in der Befeuchtungseinrichtung, die das Kathodengas befeuchtet.
Wenn das Brennstoffzellensystem stoppt (angehalten/gestoppt wird) und kondensiertes Wasser an einem derartigen feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil anhaftet bzw. anliegt, kann das kondensierte Wasser an dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil abhängig von einer Außenlufttemperatur frieren, wodurch das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil beschädigt werden kann. Ferner kann das Kathodengas derartig kondensiertes Wasser wegblasen, wodurch das Kathodengas übermäßig befeuchtet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung, die ein Ablassen (Abführen) von einem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil verbessert und eine übermäßige Befeuchtung eines Kathodengases verhindert, und ein Brennstoffzellensystem mit derselben bereitzustellen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung erreicht, die Folgendes aufweist: einen Kühlungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen Kühlmittelströmungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt; einen ersten Kathodengasströmungsweg, durch den ein Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, strömt; und eine Teilungswand, die den Kühlmittelströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg trennt, wobei der Kühlungsabschnitt das Kathodengas durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmittel kühlt; einen Befeuchtungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen zweiten Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt; einen Kathodenabgasströmungsweg, durch den ein Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, strömt; und ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil, das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt, wobei der Befeuchtungsabschnitt das Kathodengas durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet; und ein Gehäuse, das einen Kathodengaseinlass aufweist, der mit dem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und den Kühlungsabschnitt und den Befeuchtungsabschnitt derart aufnimmt, dass der erste und der zweite Kathodengasströmungsweg miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine Rohrform hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, oder das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine ebene Form hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, das Gehäuse eine untere Wand aufweist, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist, und der Kathodengaseinlass senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist.
Mit der vorstehenden Gestaltung fällt das kondensierte Wasser, das in dem zweiten Kathodengasströmungsweg erzeugt wird, von dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil durch die Schwerkraft auf den Kühlungsabschnitt, um dadurch ein Ablassen (Abführen) von dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil zu verbessern. Ferner fällt mit der vorstehenden Gestaltung das kondensierte Wasser von dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil an der Innenfläche der unteren Wand durch den ersten Kathodengasströmungsweg. Da das Kathodengas von senkrecht oberhalb zumindest eines Teiles der Innenfläche der unteren Wand in das Gehäuse eingebracht wird, wird verhindert, dass das Kathodengas das kondensierte Wasser, das an der Innenfläche der unteren Wand verbleibt (steht), wegbläst. Daher wird eine übermäßige Befeuchtung des Kathodengases verhindert.
Die untere Wand kann einen Wasserspeicherabschnitt aufweisen, der einen vertieften Abschnitt hat, der senkrecht nach unten vertieft ist.
Ein erstes Ablassventil, das Wasser, das an der unteren Wand gespeichert ist, zu einer Außenseite des Gehäuses abgibt (ausstößt), kann umfasst sein.
Ein erstes Ablassventil, das Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt gespeichert ist, zu einer Außenseite des Gehäuses ablässt, kann umfasst sein.
Ein Sensor, der eine Wassermenge erfasst, die an der unteren Wand gespeichert ist, kann umfasst sein, wobei das erste Ablassventil gesteuert werden kann, um gemäß einem Erfassungsergebnis des Sensors zu öffnen und zu schließen.
Das Gehäuse kann einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweisen, die mit dem Kathodenabgasströmungsweg in Verbindung stehen, der Befeuchtungsabschnitt kann eine Abgasströmungswegbodenfläche aufweisen, die den Kathodenabgasströmungsweg definiert, und die Abgasströmungswegbodenfläche kann von dem Abgaseinlass zu dem Abgasauslass diagonal nach unten geneigt sein.
Das Gehäuse kann einen Abgasauslass aufweisen, der mit dem Kathodenabgasströmungsweg in Verbindung steht, der Befeuchtungsabschnitt kann eine Abgasströmungswegbodenfläche aufweisen, die den Kathodenabgasströmungsweg definiert, und der Abgasauslass kann an einer Höhe vorgesehen sein, die gleich ist wie oder niedriger ist als eine Höhe der Abgasströmungswegbodenfläche.
Ein zweites Ablassventil, das Wasser von dem Kathodenabgasströmungsweg zu einer Außenseite eines Gehäuses abgibt (ausstößt), kann umfasst sein.
Das Kühlmittel kann die Brennstoffzelle kühlen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem erreicht, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle; und eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung, wobei die Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung Folgendes aufweist: einen Kühlungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen Kühlmittelströmungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt; einen ersten Kathodengasströmungsweg, durch den ein Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, strömt; und eine Teilungswand, die den Kühlmittelströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg trennt, wobei der Kühlungsabschnitt das Kathodengas durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmittel kühlt; einen Befeuchtungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen zweiten Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt; einen Kathodenabgasströmungsweg, durch den ein Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, strömt; und ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil, das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt, wobei der Befeuchtungsabschnitt das Kathodengas durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet; und ein Gehäuse, das einen Kathodengaseinlass aufweist, der mit dem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und den Kühlungsabschnitt und den Befeuchtungsabschnitt derart aufnimmt, dass der erste und der zweite Kathodengasströmungsweg miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine Rohrform hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, oder das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine ebene Form hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, das Gehäuse eine untere Wand aufweist, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist, und der Kathodengaseinlass senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung, die ein Ablassen (Abführen) von einem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil verbessert und eine übermäßige Befeuchtung eines Kathodengases verhindert, und ein Brennstoffzellensystem mit derselben bereitzustellen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems;
2 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Gestaltung einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung darstellt;
3 ist eine Ansicht, die eine Innengestaltung eines Gehäuses darstellt;
4 ist eine Ansicht, die die Innengestaltung des Gehäuses darstellt;
5 ist eine Schnittteilansicht von feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen aus Sicht der Z-Richtung;
6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Ablasssteuerung (Abführsteuerung) darstellt;
7 ist eine beispielhafte Ansicht einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung gemäß einer Variation;
8 ist eine erläuternde Ansicht einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung gemäß einer Variation;
9 ist eine vergrößerte Teilansicht von hohlen Fasermembranen der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung aus Sicht der Z-Richtung;
10 ist eine erläuternde Ansicht einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung gemäß einer Variation;
11 ist eine erläuternde Ansicht der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung gemäß der Variation; und
12 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Teils eines Befeuchtungsabschnitts der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 1 (nachstehend vereinfacht als ein System bezeichnet). Das System 1 weist eine Steuerungsvorrichtung 10, eine Brennstoffzelle 20, ein Luftzufuhrsystem 30, ein Kühlungssystem 40 und dergleichen auf. Das System 1 führt elektrischen Strom, der durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, zu einem Motor (nicht dargestellt) und dergleichen zu. Die Steuerungsvorrichtung 10 ist ein Computer, der eine CPU, einen ROM, einen RAM und dergleichen aufweist, ist elektrisch mit Vorrichtungen verbunden, die nachstehend beschrieben sind, und steuert das gesamte System 1. Zusätzlich weist das System 1 ein Wasserstoffgaszufuhrsystem (nicht dargestellt) zum Zuführen von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle 20 und ein Stromsteuerungssystem (Leistungssteuerungssystem) zum Steuern eines elektrischen Stroms (Leistung) auf, der (die) durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird.
Das Luftzufuhrsystem 30 weist einen Zufuhrweg 31, einen Abgabeweg (Ausstoßweg) 32, einen Verdichter 33, eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 und ein Gegendruckventil 38 auf. Das Luftzufuhrsystem 30 führt Luft zu der Brennstoffzelle 20 zu und ist wie folgt gestaltet. Die Luft, die Sauerstoff beinhaltet und von der Atmosphäre entnommen wird (Kathodengas), wird durch den Verdichter 33 über den Zufuhrweg 31 verdichtet, wird durch einen Kühlungsabschnitt 60 der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 gekühlt, die nachstehend ausführlich beschrieben ist, und wird zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Der Abgabeweg 32 gibt das Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben (ausgestoßen) wird, zu der Atmosphäre ab (stößt es aus). Das Gegendruckventil 38 stellt den Gegendruck an der Kathodenseite der Brennstoffzelle 20 ein. Ein Befeuchtungsabschnitt 70 der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5, die nachstehend ausführlich beschrieben ist, befeuchtet das Kathodengas, das durch den Zufuhrweg 31 hindurchtritt, durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, das durch den Abgabeweg 32 hindurchtritt. Der Verdichter 33, der Kühlungsabschnitt 60 und der Befeuchtungsabschnitt 70 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite in dem Zufuhrweg 31 angeordnet. Der Befeuchtungsabschnitt 70 und das Gegendruckventil 38 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite in dem Abgabeweg 32 angeordnet. Die Temperatur des Kathodengases, das durch den Verdichter 33 verdichtet wird, wird erhöht.
Das Kühlungssystem 40 zirkuliert ein Kühlwasser als ein Kühlmittel durch vorbestimmte Wege, um die Brennstoffzelle 20 zu kühlen, und ist wie folgt gestaltet. Das Kühlmittel wird durch einen Zirkulierungsweg 41 durch eine Zirkulierungspumpe 45 zirkuliert, wird durch einen Kühler 46 wärmegetauscht und gekühlt und wird zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Ein Umgehungsweg 42 zweigt von dem Zirkulierungsweg 41 ab und umgeht den Kühler 46. Ein Dreiwegeventil 47 stellt die Strömungsrate des Kühlmittels ein, das durch den Umgehungsweg 42 strömt. Ein Verteilungsweg 43 zweigt von dem Zirkulierungsweg 41 ab und ist mit dem Kühlungsabschnitt 60 verbunden und ist wieder mit dem Zirkulierungsweg 41 verbunden. Die Luft, die durch den Kühlungsabschnitt 60 hindurchtritt, wird durch das Kühlmittel gekühlt. Ein Temperatursensor 48 erfasst die Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennstoffzelle 20 abgegeben wird. Des Weiteren zweigt der Verteilungsweg 43 von dem Zirkulierungsweg 41 an der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 20 und an der stromabwärtigen Seite des Dreiwegeventils 47 ab und verbindet den Zirkulierungsweg 41 an der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 20 und an der stromaufwärtigen Seite der Zirkulierungspumpe 45.
2 ist eine schematische Perspektivansicht, die eine Gestalt der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 darstellt. Zusätzlich unterscheidet sich die Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5, die schematisch in 1 dargestellt ist, hinsichtlich ihrer Form von der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5, die in 2 dargestellt ist. Jedoch ist die Form der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 nicht auf die Form beschränkt, die in 2 dargestellt ist. Die Z-Richtung, die in 2 dargestellt ist, zeigt die senkrechte Richtung an. Die X-Richtung und die Y-Richtung zeigen jeweils die waagrechte Richtung an. In 2 und den nachstehenden Zeichnungen zeigt ein durchgezogener Pfeil die Richtung an, in der das Kathodengas strömt, zeigt ein gestrichelter Pfeil die Richtung an, in der das Kathodenabgas strömt, und zeigt ein strichpunktierter Pfeil die Richtung an, in der das Kühlwasser strömt.
Die Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 weist ein Gehäuse 50 auf, das den Kühlungsabschnitt 60 und den Befeuchtungsabschnitt 70 aufnimmt. Das Gehäuse 50 hat eine im Wesentlichen viereckige Parallelepipedform und weist eine untere Wand 51, eine obere Wand 52, eine linke Wand 53, eine rechte Wand 54, eine vordere Wand 55 und eine hintere Wand 56 auf. Die untere Wand 51 und die obere Wand 52 sind zueinander in der Z-Richtung zugewandt und sind parallel zueinander. Die linke Wand 53 und die rechte Wand 54 sind zueinander in der X-Richtung zugewandt und sind parallel zueinander. Die vordere Wand 55 und die hintere Wand 56 sind zueinander in der Y-Richtung zugewandt und sind parallel zueinander. Die untere Wand 51 ist mit einem Wasserspeicherabschnitt 51f vorgesehen. Der Wasserspeicherabschnitt 51f ist mit einer ersten Ablassleitung 51d verbunden. Die erste Ablassleitung 51d ist mit einem ersten Ablassventil 51e vorgesehen. Die obere Wand 52 ist mit einem Kathodengasauslass (nachstehend vereinfacht als ein Gasauslass bezeichnet) 52a vorgesehen. Die linke Wand 53 ist mit einem Kathodenabgaseinlass (nachstehend vereinfacht als ein Abgaseinlass bezeichnet) 53b und einem Kühlmitteleinlassabschnitt 53c vorgesehen. Die rechte Wand 54 ist mit einem Kathodengaseinlass (nachstehend vereinfacht als ein Gaseinlass bezeichnet) 54a, einem Kathodenabgasauslass (nachstehend vereinfacht als ein Abgasauslass bezeichnet) 54b und einem Kühlmittelauslassabschnitt 54c vorgesehen. Die zweite Ablassleitung 54d ist mit der rechten Wand 54 verbunden. Die zweite Ablassleitung 54d ist mit einem zweiten Ablassventil 54e vorgesehen. Das erste Ablassventil 51e und das zweite Ablassventil 54e sind Solenoidventile, die elektrisch mit der Steuerungsvorrichtung 10 verbunden sind und durch die Steuerungsvorrichtung 10 gesteuert werden. Die vordere Wand 55 ist mit einer Druckregulierungsleitung 55d verbunden. Die Druckregulierungsleitung 55d ist mit einem Rückschlagventil 55e vorgesehen.
Der Kühlmitteleinlassabschnitt 53c und der Kühlmittelauslassabschnitt 54c sind an im Wesentlichen derselben Höhenposition in der senkrechten Richtung vorgesehen. Der Abgaseinlass 53b und der Abgasauslass 54b sind an im Wesentlichen derselben Höhenposition in der senkrechten Richtung vorgesehen, jedoch sind sie senkrecht oberhalb des Kühlmitteleinlassabschnitts 53c und des Kühlmittelauslassabschnitts 54c positioniert. Der Gaseinlass 54a ist senkrecht unterhalb des Kühlmittelauslassabschnittes 54c positioniert. Die zweite Ablassleitung 54d ist senkrecht oberhalb des Kühlmittelauslassabschnitts 54c und senkrecht unterhalb des Abgasauslasses 54b positioniert. Die Druckregulierungsleitung 54d ist mit der vorderen Wand 55 an einer Position verbunden, die geringfügig niedriger ist als die zweite Ablassleitung 54d.
Der Kühlmitteleinlassabschnitt 53c weist einen rohrförmigen Abschnitt 53c1 und einen vergrößerten Abschnitt 53c2 auf. Der vergrößerte Abschnitt 53c2 steht mit dem rohrförmigen Abschnitt 53c1 in Verbindung, hat einen Durchmesser, der größer ist als der des rohrförmigen Abschnitts 53c1 und ist mit der linken Wand 53 verbunden. Der Kühlmittelauslassabschnitt 54c weist einen rohrförmigen Abschnitt 54c1 und einen vergrößerten Abschnitt 54c2 auf. Der vergrößerte Abschnitt 54c2 steht mit dem rohrförmigen Abschnitt 54c1 in Verbindung, hat einen Durchmesser, der größer ist als der des rohrförmigen Abschnitts 54c1, und ist mit der rechten Wand 54 verbunden.
Das Kathodengas wird in das Gehäuse 50 von dem Gaseinlass 54a eingebracht, strömt innerhalb des Gehäuses 50 senkrecht nach oben und wird von dem Gasauslass 52a abgegeben. Das Kathodenabgas wird in das Gehäuse 50 von dem Abgaseinlass 53b eingebracht, strömt innerhalb des Gehäuses 50 in der +X-Richtung und wird von dem Abgasauslass 54b abgegeben. Das Kühlwasser des Kühlmittels wird in das Gehäuse 50 von dem Kühlmitteleinlassabschnitt 53c eingebracht, strömt in der +X-Richtung und wird von dem Kühlmittelauslassabschnitt 54c abgegeben. Der Gaseinlass 54a und der Gasauslass 52a bilden einen Teil des Zufuhrwegs 31, der vorstehend beschrieben ist. Der Abgaseinlass 53b und der Abgasauslass 54b bilden einen Teil des Abgabewegs 32. Der Kühlmitteleinlassabschnitt 53c und der Kühlmittelauslassabschnitt 54c bilden einen Teil des Verteilungswegs 43.
3 und 4 sind Ansichten, die eine Innengestaltung des Gehäuses 50 darstellen. In dem Gehäuse 50 ist der Befeuchtungsabschnitt 70 an einer in senkrechter Richtung oberen Seite von dem Kühlungsabschnitt 60, d.h. an der +Z-Richtungsseite davon angeordnet. Zunächst ist der Kühlungsabschnitt 60 nachstehend beschrieben. Der Kühlungsabschnitt 60 weist Rohre 61 auf, die zwischen dem Kühlmitteleinlassabschnitt 53c und dem Kühlmittelauslassabschnitt 54c in Verbindung stehen. Das Rohr 61 ist aus Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt und hat eine flache Rohrform, eine axiale Richtung ist die X-Richtung und die Weite in der Z-Richtung ist größer als die in der Y-Richtung. Die Rohre 61 sind nebeneinander im Wesentlichen parallel zueinander in vorbestimmten Abständen in der Y-Richtung angeordnet. Die einen Enden der Rohre 61 sind mit dem vergrößerten Abschnitt 53c2 verbunden, und die anderen Enden sind mit dem vergrößerten Abschnitt 54c2 verbunden. Die Rohre 61 stehen intern mit den vergrößerten Abschnitten 53c2 und 54c2 in Verbindung und das Kühlwasser strömt durch diese. Das Kühlwasser strömt innerhalb der Rohre 61 von der vorderen Seite zu der hinteren Seite von 4. Des Weiteren ist die linke Wand 53 mit Schlitzen, in die die Rohre 61, die mit dem vergrößerten Abschnitt 53c2 in Verbindung stehen, jeweils eingesetzt sind, an einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem vergrößerten Abschnitt 53c2 abgedeckt ist. Die rechte Wand 54 ist mit Schlitzen, in die die Rohre 61, die mit dem vergrößerten Abschnitt 54c2 in Verbindung stehen, jeweils eingesetzt sind, an einem Abschnitt vorgesehen, der mit dem vergrößerten Abschnitt 54c2 abgedeckt ist.
Ein unterer Raum 513 ist zwischen dem Kühlungsabschnitt 60 und der unteren Wand 51 innerhalb des Gehäuses 50 definiert. Das Kathodengas, das von dem Gaseinlass 54a eingebracht wird, strömt außerhalb der Rohre 61 durch den unteren Raum 513. Daher ist der Strömungsweg, durch den das Kathodengas in dem Kühlungsabschnitt 60 strömt, durch den Raum außerhalb der Rohre 61 definiert. In einer derartigen Weise ist das Rohr 61 ein Beispiel einer Teilungswand, die den Kühlwasserströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg in dem Kühlungsabschnitt 60 trennt. Der Gaseinlass 54a steht mit dem ersten Kathodengasströmungsweg durch den unteren Raum 513 in Verbindung. Das Kathodengas, das von dem Gaseinlass 54a eingebracht wird, wird durch den Verdichter 33 verdichtet und erwärmt. Daher führen das Kathodengas, das außerhalb der Rohre 61 strömt, und das Kühlwasser, das innerhalb der Rohre 61 strömt, einen Wärmeaustausch durch, so dass das Kathodengas gekühlt wird. Zusätzlich können, um das Kathodengas weiter wirksam zu kühlen, wellenförmige Lamellen, die aus Metall hergestellt sind, zwischen den Rohren 61 vorgesehen sein, um die Rohre 61 zu berühren.
Nachstehend ist der Befeuchtungsabschnitt 70 beschrieben. Der Befeuchtungsabschnitt 70 weist feuchtigkeitsdurchlässige Membranen 71 auf. 5 ist eine Schnittteilansicht der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 aus Sicht der Z-Richtung. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 erstreckt sich in Richtung des Kühlungsabschnitts 60, der senkrecht unterhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 positioniert ist, wobei deren axiale Richtung im Wesentlichen gleich wie die Z-Richtung ist. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 hat eine flache Rohrform, wobei deren Weite in der X-Richtung größer ist als eine Weite in der Y-Richtung. Gleich wie die Rohre 61 sind die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 nebeneinander im Wesentlichen parallel zueinander in vorbestimmten Abständen in der Y-Richtung angeordnet, jedoch tritt die Achse der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 zwischen den Rohren 61 hindurch. Die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 sind mit der Innenfläche der linken Wand 53 nicht in Kontakt, jedoch sind sie zu dieser durch einen vorbestimmten linken Raum 533 zugewandt, und sind mit der Innenfläche der rechten Wand 54 nicht in Kontakt, jedoch sind sie zu dieser durch einen vorbestimmten rechten Raum 543 zugewandt.
Dichtungsbauteile 77 und 78 sind an der in senkrechter Richtung unteren Seite und der in senkrechter Richtung oberen Seite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 entsprechend vorgesehen. Die Dichtungsbauteile 77 und 78 sind zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 angeordnet. Des Weiteren sind die Dichtungsbauteile 77 und 78 ausgebildet, um die gesamten feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 zu umgeben. Insbesondere sind die Dichtungsbauteile 77 und 78 auch zwischen der vorderen Wand 55 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71, die zu der vorderen Wand 55 zugewandt ist, zwischen der hinteren Wand 56 und dem feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteil 71, das zu der hinteren Wand 56 zugewandt ist, zwischen der linken Wand 53 und den Enden der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die zu der linken Wand 53 zugewandt sind, und zwischen der rechten Wand 54 und den Enden der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die zu der rechten Wand 54 zugewandt sind, angeordnet. Demgemäß steht der Raum außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 mit dem Raum innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 innerhalb des Gehäuses 50 nicht in Verbindung. Des Weiteren ist das Dichtungsbauteil 77 senkrecht unterhalb des Abgaseinlasses 53b und des Abgasauslasses 54b positioniert und ist das Dichtungsbauteil 78 senkrecht oberhalb des Abgaseinlasses 53b und des Abgasauslasses 54b positioniert. Daher wird das Kathodenabgas, das von dem Abgaseinlass 53b eingebracht wird, von dem linken Raum 533 verteilt, strömt außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, führt in den rechten Raum 543 und wird von dem Abgasauslass 54b abgegeben. Das Kathodenabgas strömt außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 von der vorderen Seite zu der hinteren Seite von 4. Somit definiert in dem Befeuchtungsabschnitt 70 der Raum außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 den Kathodenabgasströmungsweg, durch den das Kathodenabgas strömt. Des Weiteren steht der Abgaseinlass 53b mit dem Kathodenabgasströmungsweg durch den linken Raum 533 in Verbindung und steht der Abgasauslass 54b mit dem Kathodenabgasströmungsweg durch den rechten Raum 543 in Verbindung. Das Dichtungsbauteil 77 weist eine Bodenfläche 771 auf, die zu dem Dichtungsbauteil 78 zugewandt ist. Beide Dichtungsbauteile 77 und 78 sind aus Gummi hergestellt. Jedes der Dichtungsbauteile 77 und 78 ist nicht immer einstückig miteinander ausgebildet, jedoch kann es durch Kombinieren von Gummibauteilen ausgebildet werden. Die Bodenfläche 771 ist ein Beispiel einer Abgasströmungswegbodenfläche, die den Kathodenabgasströmungsweg definiert.
Ein mittlerer Raum 553, in dem die Höhe in der Z-Richtung kürzer ist als die Länge in der X-Richtung und die Länge in der Y-Richtung, ist zwischen dem Kühlungsabschnitt 60 und dem Befeuchtungsabschnitt 70 innerhalb des Gehäuses 50 definiert. Ein oberer Raum 523, in dem die Höhe in der Z-Richtung kürzer ist als die Länge in der X-Richtung und die Länge in der Y-Richtung, ist zwischen dem Befeuchtungsabschnitt 70 und der oberen Wand 52 innerhalb des Gehäuses 50 definiert. Öffnungsenden der in senkrechter Richtung unteren Seiten der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 sind zu dem mittleren Raum 553 zugewandt und Öffnungsenden der in senkrechter Richtung oberen Seiten der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 sind zu dem oberen Raum 523 zugewandt. Somit steht der Raum innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 mit dem mittleren Raum 553 und dem oberen Raum 523 in Verbindung. Somit strömt das Kathodengas, das außerhalb der Rohre 61 strömt, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 durch den mittleren Raum 553 und wird das Kathodengas, das von innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 abgegeben wird, durch den oberen Raum 523 von dem Gasauslass 52a abgegeben. Daher definieren in dem Befeuchtungsabschnitt 70 die Innenräume der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 den Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 ist ein Beispiel eines feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils, das den Kathodenabgasströmungsweg von dem zweiten Kathodengasströmungsweg trennt. Des Weiteren hat die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 eine Rohrform und definiert deren Innenraum den zweiten Kathodengasströmungsweg und schneidet deren axiale Richtung die waagrechte Richtung und erstreckt sich zu dem Kühlungsabschnitt 60. Des Weiteren stehen der erste Kathodengasströmungsweg und der zweite Kathodengasströmungsweg, die vorstehend beschrieben sind, miteinander durch den mittleren Raum 553 in Verbindung. Da die Dichtungsbauteile 77 und 78 bewirken, dass der Raum außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 nicht mit dem Raum innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 innerhalb des Gehäuses 50 in Verbindung steht, wie vorstehend beschrieben ist, wird das Kathodengas nicht mit dem Kathodenabgas innerhalb des Gehäuses 50 vermischt.
In der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 bewegen sich Wassermoleküle innerhalb der Membran gemäß einem Unterschied des Wasserdampfpartialdrucks des Gases, das innerhalb und außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 strömt. Im dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt das Kathodengas, das durch den Verdichter 33 verdichtet wird und in dem Kühlungsabschnitt 60 gekühlt wird, innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 und strömt das Kathodenabgas außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71. Der Wasserdampfpartialdruck des Kathodengases ist höher als der des Kathodengases aufgrund des Wassers, das durch die Stromerzeugungsreaktion der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird. Daher bewegt sich die Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, zu dem Kathodengas durch die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71, wodurch das Kathodengas befeuchtet wird. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 ist z.B. aus Polyethersulfon, Polyimid, Polyolefin oder dergleichen hergestellt.
Nachstehend ist der Wasserspeicherabschnitt 51f beschrieben. Der Wasserspeicherabschnitt 51f ist in der unteren Wand 51 vorgesehen und hat eine vertiefte Form, die in der senkrechten Richtung nach unten vertieft ist. Der Wasserspeicherabschnitt 51f hat eine Bodenfläche 51f1, die unterhalb der Innenfläche der unteren Wand 51 in der senkrechten Richtung positioniert ist. Das kondensierte Wasser, das in dem Befeuchtungsabschnitt 70 erzeugt wird, wird in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert. Zum Beispiel wird das Kathodengas, das durch den Verdichter 33 verdichtet und erwärmt wird, durch eine Strömung außerhalb der Rohre 61 gekühlt und wird das gekühlte Kathodengas durch die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 auf ein derartiges Ausmaß befeuchtet, dass die Wasserdampfmenge die gesättigte Wasserdampfmenge überschreitet, und wird dann oft kondensiertes Wasser an den Innenflächen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 hat eine flache Rohrform, wobei deren axiale Richtung im Wesentlichen gleich ist wie die senkrechte Richtung der Z-Richtung, und die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 schneidet die waagrechte Richtung und erstreckt sich in Richtung des Kühlungsabschnitts 60. Somit wird z.B. das kondensierte Wasser an den Innenflächen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt, nachdem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestoppt hat, und fällt das kondensierte Wasser in der senkrechten Richtung entlang den Innenflächen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 durch die Schwerkraft nach unten und tritt dann das kondensierte Wasser zwischen den Rohren 61 hindurch und wird in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert. Auf diese Weise wird ein Ablassen (Abfließen, Abführen) der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 verbessert. Zum Beispiels stoppt, wenn die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 angeordnet ist, um gleich wie die horizontale Richtung zu sein, das System 1, wenn das kondensierte Wasser an den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 anhaftet, und kann das kondensierte Wasser abhängig von der Außenlufttemperatur somit frieren. Wenn das kondensierte Wasser friert, erhöht sich dessen Volumen, wodurch Spannungen (Belastungen) auf die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 aufgebracht werden. Ein sich wiederholendes Frieren des kondensierten Wassers an den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 kann somit eine Beschädigung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 bewirken. Da das Ablassen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verbessert ist, wird ein Auftreten eines derartigen Problems verhindert.
Das kondensierte Wasser, das an den Innenflächen der Rohre 61 und der unteren Wand 51 anhaftet, wird in dem Wasserspeicherabschnitt 51f aufgrund Schwingungen (Vibrationen), die in der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 auftreten, und aufgrund der Strömung des Kathodengases innerhalb des Gehäuses 50 gesammelt. Auf diese Weise wird, da das kondensierte Wasser an einer Stelle gesammelt wird, ohne dass es sich verteilt, z.B. verhindert, dass das Kathodengas durch das kondensierte Wasser, das an der Innenfläche der unteren Wand 51 verteilt wird und durch das Kathodengas weggeblasen wird, übermäßig befeuchtet wird. Des Weiteren ist die Bodenfläche 51f1 des Wasserspeicherabschnitts 51f senkrecht unterhalb der Innenfläche der unteren Wand 51 des Abschnitts positioniert, der von dem Wasserspeicherabschnitt 51f verschieden ist. Daher strömt das Kathodengas entlang der Innenfläche der unteren Wand 51, ohne dass es durch das Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist, beeinflusst wird. Dadurch wird die übermäßige Befeuchtung des Kathodengases aufgrund des Wassers, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist und durch das Kathodengas weggeblasen wird, verhindert. Die Bodenfläche 51f1 hat eine ebene Form, die senkrecht zu der Z-Richtung ist, jedoch ist sie nicht darauf beschränkt und sie kann z.B. eine Konusfläche umfassen, die senkrecht nach unten zu der Mitte hin geneigt ist.
Das Rohr 61 ist aus flachen Außenebenen gebildet. Die Außenebenen, die jeweils die größte Fläche unter den Außenebenen haben, sind Flächen der Rohre 61, die zueinander zugewandt sind, und schneiden die waagrechte Richtung, d.h. sie sind entlang der senkrechten Richtung angeordnet. Zum Beispiel kann, wenn derartige Außenebenen, die jeweils die größte Fläche haben, parallel zu der waagrechten Richtung angeordnet sind, das kondensierte Wasser, das von den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 abfällt, an der Außenebene verbleiben und kann durch das Kathodengas weggeblasen werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt, da derartige Außenebenen entlang der senkrechten Richtung angeordnet sind, das kondensierte Wasser, das an den Außenebenen anhaftet, einfach in Richtung der unteren Wand 51. Auf diese Weise wird das Ablassen von den Rohren 61 sichergestellt.
Der Gaseinlass 54a ist senkrecht oberhalb der Innenfläche der unteren Wand 51, die die Bodenfläche 51f1 aufweist, positioniert. Daher wird ein Zusammentreffen (Zusammenstoßen) des Kathodengases mit dem Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist, oder dem Wasser verhindert, das an der Innenfläche der unteren Wand 51 anhaftet, die von dem Wasserspeicherabschnitt 51f verschieden ist. Des Weiteren kann, da der Gaseinlass 54a senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts 60 positioniert ist, das Kathodengas, das von dem Gaseinlass 54a in das Gehäuse 50 eingebracht wird, durch den Kühlungsabschnitt 60 gekühlt werden. Zusätzlich kann, obwohl der Gaseinlass 54a in der rechten Wand 54 vorgesehen ist, der Gaseinlass 54a in einer beliebigen Wand von der linken Wand 53, der vorderen Wand 55 und der hinteren Wand 56 vorgesehen sein, solange der Gaseinlass 54a senkrecht oberhalb zumindest eines Teils der Innenfläche der unteren Wand 51 positioniert ist und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts 60 positioniert ist.
Der Wasserspeicherabschnitt 51f ist mit einem Sensor 51g zum Erfassen einer Wasserspeichermenge vorgesehen. Zum Beispiel erfasst der Sensor 51g die Wasserspeichermenge durch Erfassen der Flüssigkeitsniveauhöhe des Wassers, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist. Der Sensor 51g ist elektrisch mit der Steuerungsvorrichtung 10 verbunden. Die erste Ablassleitung 51d ist mit der Bodenfläche 51f1 verbunden. Das erste Ablassventil 51e, das in der ersten Ablassleitung 51d vorgesehen ist, wird zum Öffnen und Schließen durch die Steuerungsvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit dem Erfassungsergebnis des Sensors 51g gesteuert. Das Öffnen des ersten Ablassventils 51e bewirkt, dass das Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist, durch die erste Ablassleitung 51d nach außen abgegeben wird. Eine Ablasssteuerung von dem Wasserspeicherabschnitt 51f ist nachstehend beschrieben.
Die zweite Ablassleitung 54d steht mit dem rechten Raum 543 in Verbindung und der rechte Raum 543 steht mit dem Raum außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 in Verbindung, wie vorstehend beschrieben ist. Das heißt, die zweite Ablassleitung 54d steht mit dem Kathodenabgasströmungsweg durch den rechten Raum 543 in dem Befeuchtungsabschnitt 70 in Verbindung. Obwohl das kondensierte Wasser, das außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt wird, in dem Kathodenabgasströmungsweg und dem rechten Raum 543 gespeichert wird, bewirkt das Öffnen des zweiten Ablassventils 54e, dass dieses kondensierte Wasser durch die zweite Ablassleitung 54d nach außen abgegeben wird. Zum Beispiel kann das zweite Ablassventil 54e gesteuert werden, um für eine vorbestimmte Dauer geöffnet zu werden, wenn die Stromerzeugungsdauer der Brennstoffzelle 20 gleich ist wie oder größer ist als ein Grenzwert. Zusätzlich ist die zweite Ablassleitung 54d in der rechten Wand 54 vorgesehen, die an der weitesten stromabwärtig gelegenen Seite des Kathodenabgases aus der linken Wand 53, der rechten Wand 54, der vorderen Wand 55 und der hinteren Wand 56 positioniert ist Aus diesem Grund unterstützt das Kathodenabgas die Bewegung des kondensierten Wassers zu der rechten Wand 54.
Demgemäß kann das kondensierte Wasser wirksam von der zweiten Ablassleitung 54d nach außen abgegeben werden. Des Weiteren ist die zweite Ablassleitung 54d an derselben Höhe wie die Bodenfläche 771 des Dichtungsbauteils 77 vorgesehen. Insbesondere sind ein Abschnitt an der in senkrechter Richtung unteren Seite der Innenfläche der zweiten Ablassleitung 54d und die Bodenfläche 771 vorgesehen, um miteinander in der X-Richtung durchgehend (kontinuierlich) zu sein. Somit kann das kondensierte Wasser, das außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt wird, von der Bodenfläche 771 zu der zweiten Ablassleitung 54d geführt werden. Die Höhe des Abschnitts an der in senkrechter Richtung unteren Seite der Innenfläche der zweiten Ablassleitung 54d kann niedriger sein als die der Bodenfläche 771.
Die Druckregulierungsleitung 55d steht mit dem mittleren Raum 553 in Verbindung. Das Rückschlagventil 55e ermöglicht, dass das Gas von der Innenseite zu der Außenseite des Gehäuses 50 bewegt wird, verhindert jedoch die umgekehrte Strömung. Wenn der Druck des Kathodengases in dem Gehäuse 50 gleich ist wie oder größer ist als ein bestimmter Wert, öffnet das Rückschlagventil 55e. Dadurch wird verhindert, dass der Druck in dem Gehäuse 50 sich übermäßig erhöht. Zusätzlich kann abhängig von der Verdichtungsfähigkeit des Kathodengases durch den Verdichter 33 und dem Kühlungsleistungsvermögen des Kathodengases durch den Kühlungsabschnitt 60 die Erhöhung des Drucks des Kathodengases in dem Gehäuse 50 verhindert werden. In einem derartigen Fall kann die Druckregulierungsleitung 55d oder das Rückschlagventil 55e nicht vorgesehen sein.
Nachstehend ist die Ablasssteuerung von dem Wasserspeicherabschnitt 51f beschrieben. 6 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel der Ablasssteuerung darstellt. Zunächst wird es bestimmt, ob die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestoppt hat oder nicht (Schritt S1). Wenn eine negative Bestimmung gemacht wird, wird die Steuerung beendet. Wenn eine positive Bestimmung gemacht wird, wird es bestimmt, ob die Wasserspeichermenge in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gleich ist wie oder größer ist als der erste Grenzwert oder nicht, auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses von dem Sensor 51g (Schritt S2). Wenn eine negative Bestimmung gemacht wird, wird die Steuerung beendet. Wenn eine positive Bestimmung gemacht wird, öffnet das erste Ablassventil 51e (Schritt S3), wodurch das gespeicherte Wasser in dem Wasserspeicherabschnitt 51f durch die erste Ablassleitung 51d nach außen abgegeben wird. Dann wird es bestimmt, ob die Wasserspeichermenge in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gleich ist wie oder kleiner ist als der zweite Grenzwert oder nicht (Schritt S4). Der zweite Grenzwert kann z.B. null sein, jedoch ist er nicht darauf beschränkt und er kann ein sehr kleiner Wert sein, der ungefähr null ist. Wenn eine negative Bestimmung gemacht wird, wird der Prozess des Schritts S4 erneut ausgeführt. Wenn eine positive Bestimmung gemacht wird, schließt das erste Ablassventil 51e (Schritt S5). Auf diese Weise wird die Ablasssteuerung ausgeführt. Wie vorstehend beschrieben ist, öffnet das erste Ablassventil 51e, wenn die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestoppt hat. Dadurch wird eine Verringerung der Menge des Kathodengases, die zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, aufgrund der Tatsache verhindert, dass das Kathodengas, das in das Gehäuse 50 während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 eingebracht wird, gemeinsam mit dem Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist, zu der Außenseite von der ersten Ablassleitung 51d abgegeben wird.
Die Steuerungsvorrichtung 10 führt oft eine Spülsteuerung aus, um das Ablassen von der Brennstoffzelle 20 beim Stoppen der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 durch Verwendung des Kathodengases, das durch den Verdichter 33 verdichtet wird, zu verbessern. Für die Spülsteuerung wird Wasser nicht nur von der Brennstoffzelle 20 sondern auch von dem Zufuhrweg 31, der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 und dem Abgabeweg 32 nach außen geeignet abgegeben. Somit wird der Stromverbrauch des Verdichters 32 auf einen großen Wert festgelegt. Bei der Ablasssteuerung zum Öffnen des ersten Ablassventils 51e, die vorstehend gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann ein großer Teil des Wassers in der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 nach außen abgegeben werden. Daher kann selbst in einem Fall einer geringen Stromerzeugung des Verdichters 33 in der Spülsteuerung Wasser in der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 sowie in der Brennstoffzelle 20, dem Zufuhrweg 31 und dem Abgabeweg 32 nach außen abgegeben werden. Für die Ausführung der Spülsteuerung der Brennstoffzelle 20 kann die Ablasssteuerung ausgeführt werden, nachdem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestoppt worden ist, und kann dann die Spülsteuerung ausgeführt werden. Dies ist deswegen so, da, wenn die Spülsteuerung der Brennstoffzelle 20 ausgeführt wird, bevor das kondensierte Wasser in der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 abgegeben wird, das kondensierte Wasser in der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5 in die Brennstoffzelle 20 eingebracht wird, wodurch sich der angeforderte Stromverbrauch für die Spülsteuerung der Brennstoffzelle 20 erhöhen kann.
Zusätzlich kann beim Öffnen des ersten Ablassventils 51e der Verdichter 33 temporär betrieben werden, um das Kathodengas in das Gehäuse 50 einzubringen, um den Druck im Gehäuse 50 zu erhöhen. Der Druckverlust des Kathodengases, das zwischen den Rohren 61 und zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 strömt, ist relativ groß. Aus diesem Grund erhöht sich, unmittelbar nachdem das Kathodengas in das Gehäuse 50 eingebracht wird, bevor das Kathodengas zwischen den Rohren 61 und zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 strömt, und von dem Gehäuse 50 abgegeben wird, der Druck in dem unteren Raum 513 und wird der Druck des Kathodengases auf die Flüssigkeitsoberfläche des gespeicherten Wassers in dem Wasserspeicherabschnitt 51f aufgebracht. Durch Öffnen des ersten Ablassventils 51e, wenn der Druck des Kathodengases auf die Flüssigkeitsoberfläche des gespeicherten Wassers ausgeübt wird, kann das Ablassen des gespeicherten Wassers von der ersten Ablassleitung 51d verbessert werden. Des Weiteren kann die Ablasssteuerung gemeinsam mit der Spülsteuerung, die vorstehend beschrieben ist, ausgeführt werden.
Anstelle des Prozesses der Schritte S2 bis S5 kann das Ablassen durch Öffnen des ersten Ablassventils 51e für eine vorbestimmte Dauer ausgeführt werden, z.B. wenn eine Sammeldauer (Speicherdauer) der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 von dem Zeitpunkt, wann das Ablassen vormals ausgeführt worden ist, größer ist als ein Grenzwert. Alternativ kann, wenn die Strömungsrate des Kathodengases, das zu der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, das von der vorangegangenen Ablassausführung gespeichert worden ist, größer ist als ein Grenzwert, das Ablassen durch Öffnen des ersten Ablassventils 51e für eine vorbestimmte Dauer ausgeführt werden. In diesem Fall kann der Sensor 51g nicht vorgesehen sein.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 im Wesentlichen gleich wie die senkrechte Richtung, jedoch ist sie nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann selbst in einem Fall, in dem die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 in Bezug auf die senkrechte Richtung geneigt ist, die axiale Richtung eine beliebige Richtung sein, die die senkrechte Richtung schneidet und sich zu dem Kühlungsabschnitt 60 erstreckt. Dies ist deswegen so, da selbst in diesem Fall, da die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 die waagrechte Richtung schneidet, das kondensierte Wasser, das innerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 erzeugt wird, durch die Innenfläche der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 durch die Schwerkraft nach unten bewegt werden kann und, da die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 sich zu dem Kühlungsabschnitt 60 erstreckt, das kondensierte Wasser von der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 abfallen kann und zu dem Kühlungsabschnitt 60 abgegeben werden kann. Im Übrigen hat die Tatsache, dass die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 sich zu dem Kühlungsabschnitt 60 erstreckt, dieselbe Bedeutung wie die Tatsache, dass die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 den Kühlungsabschnitt 60 schneidet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verhindern die Dichtungsbauteile 77 und 78 ein Mischen des Kathodengases und des Kathodenabgases, jedoch ist die Einrichtung zum Verhindern des Mischens beider Gase nicht auf derartige Dichtungsbauteile 77 und 78 beschränkt. Zum Beispiel können in einem Zustand, in dem die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 nebeneinander angeordnet sind, wie vorstehend beschrieben ist, die Seitenflächen der in senkrechter Richtung oberen Enden miteinander verbunden sein und können die Seitenflächen der in senkrechter Richtung unteren Enden miteinander verbunden sein. Dadurch wird eine Strömung des Kathodenabgases zwischen den in senkrechter Richtung oberen Enden und den in senkrechter Richtung unteren Enden der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die nicht miteinander verbunden sind, zugelassen, während eine Strömung des Kathodengases zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 von der in senkrechter Richtung unteren Seite verhindert wird.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wasserspeicherabschnitt 51f vorgesehen, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Gestaltung beschränkt. Zum Beispiel kann die untere Wand eine flache Form haben, ohne dass der Wasserspeicherabschnitt 51f vorgesehen ist und können die erste Ablassleitung 51d und das erste Ablassventil 51e in der flachen unteren Wand vorgesehen sein. In diesem Fall kann das gespeicherte Wasser an der unteren Wand außerhalb des Gehäuses abgegeben werden. Auch in diesem Fall kann, um die Menge des Wassers, die an der unteren Wand gespeichert ist, zu erfassen, der Sensor 51g in der unteren Wand vorgesehen sein oder kann der Sensor 51g in einer beliebigen Wand von der linken Wand, der rechten Wand, der vorderen Wand und der hinteren Wand an einem Abschnitt vorgesehen sein, der nahe an der unteren Wand liegt.
Das Rohr 61 hat eine flache Rohrform, jedoch ist es nicht auf eine derartige Form beschränkt, und es kann eine zylindrische Form oder eine viereckige Rohrform haben.
Nachstehend sind Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtungen gemäß Variationen beschrieben. In den Variationen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Gestaltungen wie jene in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel und ist deren zweimalige Beschreibung weggelassen. 7 ist eine beispielhafte Ansicht einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5' gemäß einer Variation. 7 ist eine Schnittansicht ähnlich der von 3. 3 stellt den Raum zwischen den Rohren 61 und der Innenseite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 dar, wohingegen 7 die Innenseite des Rohrs 61 und den Raum zwischen den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 darstellt. Ferner wird in dieser Variation, da die axiale Richtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 die waagrechte Richtung schneidet und sich die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71 in Richtung des Kühlungsabschnitts 60 erstreckt, das Ablassen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 sichergestellt.
Die Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5' gemäß dieser Variation ist in einer geringfügig geneigten Stellung in Bezug auf die Z-Richtung angeordnet verglichen zu der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5, die vorstehend beschrieben ist. Insbesondere ist ein Gehäuse 50' in einer geneigten Stellung derart angeordnet, dass die linke Wand 53 nach oben zugewandt ist und die rechte Wand 54 nach unten zugewandt ist. Daher ist die untere Wand 54 in einer Stellung angeordnet, die von der linken Wand 53 zu der rechten Wand 54 nach unten geneigt ist. Ein Wasserspeicherabschnitt 51f ist näher an der rechten Wand 54 ausgebildet als die linke Wand 53. Somit strömt das kondensierte Wasser, das an der unteren Wand 51 anhaftet, einfach in Richtung des Wasserspeicherabschnitts 51f durch die Schwerkraft und kann wirksam (effizient) durch den Wasserspeicherabschnitt 51f gesammelt werden. Des Weiteren ist der Gaseinlass 54a senkrecht oberhalb der Bodenfläche 51f1 positioniert, die zumindest ein Teil der Innenfläche der unteren Wand 51 ist, dadurch wird die übermäßige Befeuchtung des Kathodengases aufgrund des Wassers, das in dem Wasserspeicherabschnitt 51f gespeichert ist, und durch das Kathodengas weggeblasen wird, verhindert.
Das Dichtungsbauteil 77 ist ferner in einer Stellung angeordnet, die von der linken Wand 53 zu der rechten Wand 54 nach unten geneigt ist. Somit kondensiert z.B. die Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, das zwischen den Dichtungsbauteilen 77 und 78 und außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 strömt, und fällt das kondensierte Wasser, das an der Außenfläche der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 anhaftet, auf die obere Fläche des Dichtungsbauteils 77 durch die Schwerkraft und bewegt sich das kondensierte Wasser an der oberen Fläche des Dichtungsbauteils 77 von der linken Wand 53 zu der rechten Wand 54. Ferner wird, da das Kathodenabgas an der oberen Fläche des Dichtungsbauteils 77 von dem Abgaseinlass 53b zu dem Abgasauslass 54b' strömt, die Strömung des kondensierten Wassers zu dem Abgasauslass 54b' verbessert. Der Abgasauslass 54b' ist derart vorgesehen, dass ein Abschnitt der in senkrechter Richtung unteren Seite der Innenfläche des Abgasauslasses 54b' mit der Bodenfläche 771 durchgängig (kontinuierlich) ist. Dadurch wird ein Führen des kondensierten Wassers, das außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt wird, von der Bodenfläche 771 zu dem Abgasauslass 54b' erleichtert. Eine Höhe des Abschnitts der in senkrechter Richtung unteren Seite der Innenfläche des Abgasauslasses 54b' kann niedriger sein als die der Bodenfläche 771. In der vorstehenden Weise wird das Ablassen des kondensierten Wassers, das außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt wird, von dem Abgasauslass 54b' verbessert. Selbst mit einer derartigen Gestaltung wird das Ablassen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 sichergestellt, wodurch die Beschädigung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die durch das Frieren des kondensierten Wassers, das an den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 anhaftet, verursacht wird, verhindert wird.
In dieser Variation wird das Ablassen des kondensierten Wassers, das außerhalb der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71 erzeugt wird, verbessert, wie vorstehend beschrieben ist, so dass die zweite Ablassleitung 54d und das zweite Ablassventil 54e im Gegensatz zu dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, das vorstehend beschrieben ist, nicht vorgesehen sind. Somit verhindert diese Variation eine Erhöhung der Größe (Baugröße) und eine Erhöhung der Komplexität der Struktur. Des Weiteren sind in dieser Variation die erste Ablassleitung 51d und das erste Ablassventil 51e nicht in dem Wasserspeicherabschnitt 51f vorgesehen, sie können aber vorgesehen sein. Des Weiteren kann in dieser Variation der Wasserspeicherabschnitt 51f nicht vorgesehen sein.
8 ist eine beispielhafte Ansicht einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5a gemäß einer Variation und ist eine Schnittansicht korrespondierend zu 3. 9 ist eine vergrößerte Teilansicht von hohlen Fasermembranen 71a der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5a aus Sicht der Z-Richtung und korrespondiert zu 5. Eine Schnittansicht der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5a senkrecht zu der X-Richtung ist gleich wie 4 und ist daher nicht dargestellt. Ein Befeuchtungsabschnitt 70a der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5a verwendet die hohlen Fasermembranen 71a, die jeweils eine im Wesentlichen zylindrische Form haben, die sich in der axialen Richtung in der Z-Richtung erstreckt, anstelle der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die jeweils eine flache Rohrform haben. Die hohlen Fasermembranen 71a sind im Wesentlichen parallel zu einander in vorbestimmten Abständen in der X-Richtung und in der Y-Richtung angeordnet. Die axiale Richtung der hohlen Fasermembran 71a ist im Wesentlichen gleich wie die Z-Richtung und schneidet die X-Richtung und die Y-Richtung, die die waagrechte Richtung darstellen. Die hohle Fasermembran 71a ist ferner aus demselben Material wie die feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71 hergestellt, die vorstehend beschrieben ist.
Dichtungsbauteile 77a und 78a sind an der in senkrechter Richtung unteren Seite und der in senkrechter Richtung oberen Seite der hohlen Fasermembranen 71a entsprechend vorgesehen. Die Dichtungsbauteile 77a und 78a sind zwischen den hohlen Fasermembranen 71a angeordnet. Des Weiteren ist jedes der Dichtungsbauteile 77a und 78a ausgebildet, um die hohlen Fasermembranen 71a vollständig zu umgeben. Insbesondere sind die Dichtungsbauteile 77a und 78a auch zwischen der vorderen Wand 55 und der hohlen Fasermembranen 71a, die zu der vorderen Wand 55 zugewandt sind, zwischen der hinteren Wand 56 und der hohlen Fasermembrane 77a, die zu der hinteren Wand 56 zugewandt sind, zwischen der linken Wand 53 und der hohlen Fasermembranen 71a, die zu der linken Wand 53 zugewandt sind, und zwischen der rechten Wand 54 und der hohlen Fasermembranen 71a angeordnet, die zu der rechten Wand 54 zugewandt sind. Daher steht der Raum außerhalb der hohlen Fasermembranen 71a innerhalb des Gehäuses 50 nicht mit dem Raum innerhalb der hohlen Fasermembranen 71a in Verbindung. Demgemäß strömt das Kathodenabgas außerhalb der hohlen Fasermembranen 71a und strömt das Kathodengas innerhalb der hohlen Fasermembranen 71a. Daher ist die hohle Fasermembran 71a ein Beispiel eines feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils, das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt. Zusätzlich hat die hohle Fasermembran 71a eine Rohrform und definiert deren Innenraum den zweiten Kathodengasströmungsweg und schneidet deren axiale Richtung die waagrechte Richtung und erstreckt sich zu dem Kühlungsabschnitt 60.
Da das Kathodengas innerhalb der hohlen Fasermembranen 71a strömt und das Kathodenabgas außerhalb der hohlen Fasermembranen 71a strömt, wird das Kathodengas durch die Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet. Des Weiteren hat, wie vorstehend beschrieben ist, die hohle Fasermembran 71a ferner eine im Wesentlichen zylindrische Form und schneidet deren axiale Richtung die waagrechte Richtung und erstreckt sich in Richtung des Kühlungsabschnitts 60. Daher wird das Ablassen der hohlen Fasermembranen 71a sichergestellt.
Ferner ist in dieser Variation die axiale Richtung der hohlen Fasermembran 71a im Wesentlichen gleich wie die senkrechte Richtung, jedoch ist sie nicht darauf beschränkt. Selbst in einem Fall, in dem die axiale Richtung der hohlen Fasermembran 71a in Bezug auf die senkrechte Richtung geneigt ist, kann die axiale Richtung eine beliebige Richtung sein, die die waagrechte Richtung schneidet und sich zu dem Kühlungsabschnitt 60 erstreckt.
Nachstehend ist eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Variation beschrieben. 10 und 11 sind beispielhafte Ansichten einer Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5b gemäß einer Variation und korrespondieren entsprechend zu 3 und 4. 12 ist eine Explosionsperspektivansicht eines Teiles eines Befeuchtungsabschnitts 70b der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5b. Der Befeuchtungsabschnitt 70b der Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung 5b verwendet flache feuchtigkeitsdurchlässige Membranen 71b und Separatoren 72 und 74 anstelle der flachen rohrförmigen feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71, die vorstehend beschrieben sind. Die Separatoren 72 und 74 sind aus Metall oder Kunstharz hergestellt. Die Separatoren 72 und 74 sind abwechselnd nebeneinander in der Y-Richtung angeordnet. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71b ist zwischen den Separatoren 72 und 74 angeordnet. Die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b und die Separatoren 72 und 74 sind derart angeordnet, dass deren Dickenrichtung die Y-Richtung ist. Obwohl die feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b aus demselben Material hergestellt ist, wie die vorstehend beschriebene feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71, kann die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71b eine Elektrolytmembran bei der Verwendung z.B. der Brennstoffzelle 20 sein. 12 stellt nur einen Teil der feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b und der Separatoren 72 und 74 dar.
Wie in 12 dargestellt ist, ist die eine Fläche des Separators 72 mit einer konkaven Fläche 721 und einer konvexen Fläche 723 vorgesehen, die abwechselnd in der X-Richtung angeordnet sind, und ist die andere Fläche des Separators 72 mit einer konvexen Fläche 722 und einer konkaven Fläche 724 vorgesehen, die abwechselnd in der X-Richtung angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Flächen der konkaven Fläche 721 und der konvexen Fläche 723 korrespondieren zu der konvexen Fläche 723 bzw. der konkaven Fläche 724. Die konkaven Flächen 721 und 724 und die konvexen Flächen 722 und 723 erstrecken sich in der Z-Richtung. Daher hat der Separator 72 eine gewellte Form aus Sicht der Z-Richtung. Die konkave Fläche 721 ist mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des Separators 72 angeordnet ist, nicht in Kontakt, ist jedoch mit der konvexen Fläche 723 in Kontakt. Die konvexe Fläche 722 ist mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der anderen Seite des Separators 72 angeordnet ist, in Kontakt, jedoch ist sie nicht mit der konkaven Fläche 724 in Kontakt. Ein linkes Ende 727 mit einer flachen Plattenform ist an der Seite der linken Wand 53 des Separators 72 ausgebildet. Ein rechtes Ende 728 mit einer flachen Plattenform ist an der Seite der rechten Wand 54 des Separators 72 ausgebildet. Das linke Ende 727 und das rechte Ende 728 sind nachstehend beschrieben. In 12 liegen die konkave Fläche 721 und die konvexe Fläche 723 an der vorderen Seite und liegen die konvexe Fläche 722 und die konkave Fläche 724 an der hinteren Seite.
Der Separator 74 hat eine Form, die ähnlich der des Separators 72 ist, jedoch hat der Separator 72 eine gewellte Form aus Sicht der X-Richtung. Insbesondere ist die eine Fläche des Separators 74 mit einer konkaven Fläche 741 und einer konvexen Fläche 743 vorgesehen, die abwechselnd in der Z-Richtung angeordnet sind, und ist die andere Fläche mit einer konvexen Fläche 742 und einer konkaven Fläche 744 vorgesehen, die abwechselnd in der Z-Richtung angeordnet sind. Die Fläche gegenüberliegend zu der konkaven Fläche 741 und der konvexen Fläche 743 korrespondieren zu der konvexen Fläche 742 bzw. der konkaven Fläche 744. Die konkaven Flächen 741 und 744 und die konvexen Flächen 742 und 743 erstrecken sich in der Z-Richtung. Die konkave Fläche 741 ist mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des Separators 74 angeordnet ist, nicht in Kontakt, jedoch ist sie mit der konvexen Fläche 743 in Kontakt. Die konvexe Fläche 743 ist mit der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der anderen Seite des Separators 74 angeordnet ist, in Kontakt, jedoch ist sie mit der konkaven Fläche 744 nicht in Kontakt. In 12 liegen die konkave Fläche 741 und die konvexe Fläche 743 an der vorderen Seite und liegen die konvexe Fläche 742 und die konkave Fläche 744 an der hinteren Seite.
Ein unteres Ende 747 mit einer flachen Plattenform ist an der in senkrechter Richtung unteren Seite des Separators 74 ausgebildet, und ein oberes Ende 748 mit einer flachen Plattenform ist ferner an der in senkrechter Richtung oberen Seite des Separators 74 ausgebildet. Das untere Ende 747 und das obere Ende 748 sind ausgebildet, um keine der zwei feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b zu berühren, die entsprechend an beiden Seiten des Separators 74 positioniert sind. Wie in 11 dargestellt ist, ist ein Dichtungsbauteil 77b zwischen dem unteren Ende 747 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an einer Seite des unteren Endes 747 angeordnet ist, und zwischen dem unteren Ende 747 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b angeordnet, die an der anderen Seite des unteren Endes 747 angeordnet ist. Ein Dichtungsbauteil 78b ist zwischen dem oberen Ende 748 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des oberen Endes 748 angeordnet ist, und zwischen dem oberen Ende 748 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b angeordnet, die an der anderen Seite des oberen Endes 748 angeordnet ist. Das Dichtungsbauteil 77b ist mit dem unteren Ende 747 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b verbunden, und das Dichtungsbauteil 78b ist mit dem oberen Ende 748 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b verbunden. Demgemäß wird verhindert, dass das Kathodengas zwischen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b und dem Separator 74 von dem linken Raum 533 eindringt.
Wie in 10 dargestellt ist, sind die Separatoren 74 jeweils von der linken Wand 53 und der rechten Wand 54 in einem vorbestimmten Abstand beabstandet, wodurch der linke Raum 533 und der rechte Raum 543 definiert werden. Die Dichtungsbauteile 77b und 78b umgeben entsprechend die gesamten Separatoren 74, die feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b und die Separatoren 72 an der in senkrechter Richtung unteren Seite und der in senkrechter Richtung oberen Seite des Befeuchtungsabschnitts 70b. Insbesondere sind die Dichtungsbauteile 77b und 78b zwischen der vorderen Wand 55 und dem Separator 74, der zu der vorderen Wand 55 zugewandt ist, zwischen der hinteren Wand 56 und dem Separator 74, der zu der hinteren Wand 56 zugewandt ist, aus der linken Wand 53, den Separatoren 74, die zu der linken Wand 53 zugewandt sind, den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen 71b und den Enden des Separatoren 72 und aus der rechten Wand 54, den Separatoren 74, die zu der rechten Wand 54 zugewandt sind, den feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteilen 71b und den Enden der Separatoren 72 angeordnet.
Das linke Ende 727 und das rechte Ende 728 des Separators 72 sind ausgebildet, um keine der zwei feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b zu berühren, die entsprechend an beiden Seiten des Separators 72 positioniert sind. Wie in 10 dargestellt ist, sind Dichtungsbauteile 77c zwischen dem linken Ende 727 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des linken Endes 727 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der anderen Seite des linken Endes 727 angeordnet ist, angeordnet. Dichtungsbauteile 78c sind zwischen dem rechten Ende 728 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des rechten Ende 728 angeordnet ist, und zwischen dem rechten Ende 728 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der anderen Seite des rechten Endes 728 angeordnet ist, angeordnet. Die Dichtungsbauteile 77c und 78c sind jeweils zwischen dem Separator 72 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b angeordnet. Die Dichtungsbauteile 77c und 78c haben jeweils eine viereckige Säulenform, die sich in der Z-Richtung erstreckt. Das Dichtungsbauteil 77c ist mit dem linken Ende 727 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b verbunden. Das Dichtungsbauteil 78c ist mit dem rechten Ende 728 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b verbunden. Demgemäß wird verhindert, dass das Kathodenabgas zwischen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b und dem Separator 72 von dem linken Raum 533 eindringt. Zusätzlich sind die linken Enden 727 und die Dichtungsbauteile 77c von der linken Wand 53 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet. Die rechten Enden 728 und die Dichtungsbauteile 78c sind von der rechten Wand 54 um einen vorbestimmten Abstand beabstandet.
Die Dichtungsbauteile 77c und 78c sind zusätzlich zu den Separatoren 74, den feuchtigkeitsdurchlässigen Membranen 71b und den Separatoren 72 durch die Dichtungsbauteile 77b und 78b, die vorstehend beschrieben sind, umgeben. Beide Enden der konkaven Flächen 721 und 724 des Separators 72, der sich in der Z-Richtung erstreckt, sind entsprechend zu dem mittleren Raum 553 und dem oberen Raum 523 zugewandt. Beide Enden der konkaven Flächen 721 und 724 des Separators 74, der sich in der X-Richtung erstreckt, sind entsprechend zu dem linken Raum 533 und dem rechten Raum 543 zugewandt. Somit stehen der mittlere Raum 553, der Raum zwischen dem Separator 72 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b und der obere Raum 523, durch den das Kathodengas in dieser Reihenfolge strömt, nicht mit dem linken Raum 533, dem Raum zwischen dem Separator 74 und der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b und dem rechten Raum 543 in Verbindung, durch den das Kathodenabgas in dieser Reihenfolge strömt.
Somit wird das Kathodenabgas, das von dem Abgaseinlass 53b eingebracht wird, in dem linken Raum 533 verteilt und strömt entlang der konkaven Flächen 741 und der konvexen Flächen 742 des Separators 74 und die verteilten Kathodenabgase, die von den konkaven Flächen 741 und den konvexen Flächen 742 abgegeben werden, treffen in dem rechten Raum 543 aufeinander und das derart vereinigte Kathodenabgas wird von dem Abgasauslass 54b abgegeben. Demgemäß strömt das Kathodenabgas zwischen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der einen Seite des Separators 74 angeordnet ist, und der konkaven Fläche 741 und zwischen der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, die an der anderen Seite des Separators 74 angeordnet ist, und der konvexen Fläche 742. Daher ist die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71b ein Beispiel eines feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils, das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt. Des Weiteren hat die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71b eine ebene Form, definiert deren eine Seite den zweiten Kathodenabgasströmungskanal und schneidet die ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung und erstreckt sich zu dem Kühlungsabschnitt 60.
In einer derartigen Weise strömt das Kathodengas an der einen Seite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b und strömt das Kathodenabgas an der anderen Seite der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, wodurch das Kathodengas befeuchtet wird. Des Weiteren hat die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 71b eine flache Form, in der deren Ebenenrichtung die X-Richtung und die Y-Richtung schneidet, die die waagrechte Richtung darstellen, und erstreckt sich die flache Form zu dem Kühlungsabschnitt 60. Aus diesem Grund fällt das kondensierte Wasser, das an der Fläche der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b, entlang der das Kathodengas strömt, anhaftet, auf die virtuell untenliegende Seite, wodurch das Ablassen (Abführen) der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b sichergestellt wird.
In dieser Variation ist die Ebenenrichtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b in der senkrechten Richtung umfasst, jedoch ist sie nicht darauf beschränkt. Selbst in einem Fall, in dem die Ebenenrichtung der feuchtigkeitsdurchlässigen Membran 71b in Bezug auf die senkrechte Richtung geneigt ist, kann die Ebenenrichtung eine beliebige Richtung sein, die die waagrechte Richtung schneidet und sich zu dem Kühlungsabschnitt 60 erstreckt. In dieser Variation sind die Druckregulierungsleitung 55d und das Rückschlagventil 55e nicht wie in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, jedoch können sie vorgesehen sein.
Obwohl einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorstehend ausführlich beschrieben sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung variiert oder geändert werden.
In dem Ausführungsbeispiel und den Variationen wird das Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle 20 als das Kühlmittel des Kühlungsabschnitts 60 verwendet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann Kühlwasser zum Kühlen von elektronischen Komponenten, die sich von der Brennstoffzelle 20 unterscheiden, als das Kühlmittel des Kühlungsabschnitts 60 verwendet werden. Des Weiteren kann der Kühlungsabschnitt 60 eine Luftkühlungsbauart sein, die Luft als ein Kühlmittel verwendet.
Eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung weist Folgendes auf: einen Kühlungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen Kühlmittelströmungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt; einen ersten Kathodengasströmungsweg, durch den ein Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle zuzuführen ist, strömt; und eine Teilungswand, die den Kühlmittelströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg trennt, wobei der Kühlungsabschnitt das Kathodengas durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmittel kühlt; einen Befeuchtungsabschnitt, der Folgendes aufweist: einen zweiten Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt; einen Kathodenabgasströmungsweg, durch den ein Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, strömt; und ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil, das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt, wobei der Befeuchtungsabschnitt das Kathodengas durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet; und ein Gehäuse, das einen Kathodengaseinlass aufweist, der mit dem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und den Kühlungsabschnitt und den Befeuchtungsabschnitt derart aufnimmt, dass der erste und der zweite Kathodengasströmungsweg miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine Rohrform hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, oder das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil eine ebene Form hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils definiert, und eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts erstreckt, das Gehäuse eine untere Wand aufweist, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist, und der Kathodengaseinlass senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts positioniert ist.

Claims

Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Kühlungsabschnitt (60), der Folgendes aufweist: einen Kühlmittelströmungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt; einen ersten Kathodengasströmungsweg, durch den ein Kathodengas, das zu einer Brennstoffzelle (20) zuzuführen ist, strömt; und eine Teilungswand (61), die den Kühlmittelströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg trennt, wobei der Kühlungsabschnitt (60) das Kathodengas durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmittel kühlt; einen Befeuchtungsabschnitt (70), der Folgendes aufweist: einen zweiten Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt; einen Kathodenabgasströmungsweg, durch den ein Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle (20) abgegeben wird, strömt; und ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil (71, 71a, 71b), das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt, wobei der Befeuchtungsabschnitt (70) das Kathodengas durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet; und ein Gehäuse (50), das einen Kathodengaseinlass (54a) aufweist, der mit dem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und den Kühlungsabschnitt (60) und den Befeuchtungsabschnitt (70) derart aufnimmt, dass der erste und der zweite Kathodengasströmungsweg miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil (71, 71a) eine Rohrform hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils (71, 71a) definiert, und eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts (60) erstreckt, oder das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil (71b) eine ebene Form hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils (71b) definiert, und eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts (60) erstreckt, das Gehäuse (50) eine untere Wand (51) aufweist, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts (60) positioniert ist, und der Kathodengaseinlass (54a) senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand (51) und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts (60) positioniert ist.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere Wand (51) einen Wasserspeicherabschnitt (51f) aufweist, der einen vertieften Abschnitt hat, der senkrecht nach unten vertieft ist.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren ein erstes Ablassventil (51e) aufweist, das Wasser, das an der unteren Wand (51) gespeichert ist, zu einer Außenseite des Gehäuses (50) abgibt.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 2, die des Weiteren ein erstes Ablassventil (51e) aufweist, das Wasser, das in dem Wasserspeicherabschnitt (51f) gespeichert ist, zu einer Außenseite des Gehäuses (50) ablässt.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, die des Weiteren einen Sensor (51g) aufweist, der eine Wassermenge, die an der unteren Wand (51) gespeichert ist, erfasst, wobei das erste Ablassventil (51e) gesteuert wird, um gemäß einem Erfassungsergebnis des Sensors (51g) zu öffnen und zu schließen.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse (50) einen Abgaseinlass (53b) und einen Abgasauslass (54b) aufweist, die mit dem Kathodenabgasströmungsweg in Verbindung stehen, der Befeuchtungsabschnitt (70) eine Abgasströmungswegbodenfläche (771) aufweist, die den Kathodenabgasströmungsweg definiert, und die Abgasströmungswegbodenfläche (771) von dem Abgaseinlass (53b) zu dem Abgasauslass (54b) diagonal nach unten geneigt ist.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse (50) einen Abgasauslass (54b) aufweist, der mit dem Kathodenabgasströmungsweg in Verbindung steht, der Befeuchtungsabschnitt (70) eine Abgasströmungswegbodenfläche (771) aufweist, die den Kathodenabgasströmungsweg definiert, und der Abgasauslass (54b) an einer Höhe vorgesehen ist, die gleich ist wie oder niedriger ist als eine Höhe der Abgasströmungswegbodenfläche (771).
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die des Weiteren ein zweites Ablassventil (54e) aufweist, das Wasser von dem Kathodenabgasströmungsweg zu einer Außenseite des Gehäuses (50) abgibt.
Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Kühlmittel die Brennstoffzelle (20) kühlt.
Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle (20); und eine Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung (5), wobei die Kühlungs- und Befeuchtungsvorrichtung (5) Folgendes aufweist: einen Kühlungsabschnitt (60), der Folgendes aufweist: einen Kühlmittelströmungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt; einen ersten Kathodengasströmungsweg, durch den ein Kathodengas, das zu der Brennstoffzelle (20) zuzuführen ist, strömt; und eine Teilungswand (61), die den Kühlmittelströmungsweg von dem ersten Kathodengasströmungsweg trennt, wobei der Kühlungsabschnitt (60) das Kathodengas durch einen Wärmeaustausch zwischen dem Kathodengas und dem Kühlmittel kühlt; einen Befeuchtungsabschnitt (70), der Folgendes aufweist: einen zweiten Kathodengasströmungsweg, durch den das Kathodengas strömt; einen Kathodenabgasströmungsweg, durch den ein Kathodenabgas, das von der Brennstoffzelle (20) abgegeben wird, strömt; und ein feuchtigkeitsdurchlässiges Bauteil (71, 71a, 71b), das den zweiten Kathodengasströmungsweg von dem Kathodenabgasströmungsweg trennt, wobei der Befeuchtungsabschnitt (70) das Kathodengas durch eine Feuchtigkeit, die in dem Kathodenabgas beinhaltet ist, befeuchtet; und ein Gehäuse (50), das einen Kathodengaseinlass (54a) aufweist, der mit dem ersten Kathodengasströmungsweg in Verbindung steht, und den Kühlungsabschnitt (60) und den Befeuchtungsabschnitt (70) derart aufnimmt, dass der erste und der zweite Kathodengasströmungsweg miteinander in Verbindung stehen und dass der zweite Kathodengasströmungsweg senkrecht oberhalb des ersten Kathodengasströmungswegs positioniert ist, wobei das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil (71, 71a) eine Rohrform hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Innenseite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils (71, 71a) definiert, und eine axiale Richtung der Rohrform eine waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts (60) erstreckt, oder das feuchtigkeitsdurchlässige Bauteil (71b) eine ebene Form hat, die den zweiten Kathodengasströmungsweg an einer Seite des feuchtigkeitsdurchlässigen Bauteils (71b) definiert, und eine ebene Fläche der ebenen Form die waagrechte Richtung schneidet und sich in Richtung des Kühlungsabschnitts (60) erstreckt, das Gehäuse (50) eine untere Wand (51) aufweist, die senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts (60) positioniert ist, und der Kathodengaseinlass (54a) senkrecht oberhalb zumindest eines Teils einer Innenfläche der unteren Wand (51) und senkrecht unterhalb des Kühlungsabschnitts (60) positioniert ist.