-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das das
wasserstoffhaltige Brenngas und das sauerstoffhaltige Oxidationsgas
liefert, um mit der chemischen Reaktion zwischen dem Wasserstoff
und dem Sauertoff elektrischen Strom zu erzeugen, und betrifft insbesondere
ein Brennstoffzellensystem mit einer Heizvorrichtung für die befeuchteten
Brenn- und Oxidationsgase.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
In
letzter Zeit sind verschiedene Typen von Elektrofahrzeugen entwickelt
worden, an denen, anstatt der herkömmlichen Maschine, ein Traktionsmotor
angebracht ist. Als ein Beispiel dieser Typen von Elektrofahrzeugen
sind Brennstoffzellenfahrzeuge schnell entwickelt worden, an denen
eine Wasserstoffionen-Austauschermembran-Brennstoffzelle (nachfolgend als "PEM-Brennstoffzelle" bezeichnet), die
kurz als PEMFC (Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle) bezeichnet
wird, als Antriebsquelle für
den Traktionsmotor angebracht ist.
-
Die
PEM-Brennstoffzelle hat eine Stapelstruktur, in der eine große Anzahl
von Zellen, Energieerzeugungseinheiten, gestapelt sind. In jeder
Zelle ist eine Membranelektrodenverbindung, genannt MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) zwischen dem
Anodenseparator mit einem Wasserstoffzuführweg und dem Kathodenseparator
mit einem Sauerstoffzuführweg
angeordnet. Die MEA hat die Anoden-Katalysatorschichten und die Gasdiffusionsschichten,
die abwechselnd auf einer Seite aufgelagert sind, und die Kathoden-Katalysatorschichten und
die Gasdiffusionsschichten, die abwechselnd auf der anderen Seite
der Wasserstoffionenaustauschermembran aus Festpolymermaterial,
genannt PEM (Protonenaustauschermembrane), aufgelagert sind.
-
In
diesem Typ von PEM-Brennstoffzelle fließt das befeuchtete Wasserstoffgas
als Brenngas durch den Wasserstoffzuführweg vom Anodeneinlass zum -auslass,
und die befeuchtete Luft als Oxidationsgas fließt durch den Sauerstoffzuführweg von
dem Kathodeneinlass zum -auslass. Dann wandern die Wasserstoffionen
von der Anode zur Kathode jeder Zelle, durchdringen die PEM (Ionenaustauschermembrane)
der befeuchteten MEA, um elektrischen Strom von etwa 1 Volt zu erzeugen.
In diesem Fall ist die PEM-Brennstoffzelle in der Lage, unter der
Temperatur von 70 bis 80 Grad Celsius elektrischen Strom annähernd stabil
zu erzeugen.
-
Das
Brennstoffzellensystem mit der PEM-Brennstoffzelle, die den oben
beschriebenen Stromerzeugungsmechanismus aufweist, hat die folgenden
Mittel, um die Temperatur der Brennstoffzelle sowie die fortlaufende
Stromerzeugung durch fortlaufende Zufuhr der befeuchteten Luft und
des Wasserstoffgases zu steuern: Eine Luftzufuhrleitung zum Kühlen der
Luft durch einen Ladeluftkühler,
der durch den Auflader zwangsweise gespeist wird, und Zuführen derselben
zum Kathodeneinlass; eine Luftabfuhrleitung zum Abführen der
feuchtigkeitsreichen Restluft von dem Kathodenauslass; eine Wasserstoffgaszuführleitung
zum Zuführen
des gespeicherten Wasserstoffgases zum Anodeneinlass; eine Wasserstoffgasabfuhrleitung
zum Abführen
des feuchtigkeitsreichen Restwasserstoffgases von dem Anodenauslass;
eine Befeuchtungsvorrichtung mit wasserdurchlässiger Membrane zum Befeuchten
der Luft der Luftzufuhrleitung mittels des Feuchtigkeitsaustauschs mit
der feuchtigkeitsreichen Restluft der Luftabfuhrleitung; eine andere
Befeuchtungsvorrichtung mit wasserdurchlässiger Membrane zum Befeuchten des
Wasserstoffgases der Wasserstoffgaszufuhrleitung mittels des Feuchtigkeitsaustauschs
mit dem feuchtigkeitsreichen Restwasserstoffgas der Wasserstoffgasabfuhrleitung;
sowie eine Kühlleitung
zum Steuern der Temperatur der Brennstoffzelle durch Zirkulieren
des Kühlfluids
zwischen der Brennstoffzelle und dem Wärmeaustauscher.
-
In
diesem Zusammenhang wird allgemein ein Befeuchter aus leichter und
kompakter Hohlfasermembrane (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift
7-71795) für
die oben beschriebene Feuchtigkeitsvorrichtung mit wasserdurchlässiger Membrane beschrieben.
Als das Mittel zum Befeuchten des Wasserstoffgases der Wasserstoffgaszufuhrleitung wird
auch ein Ejektor verwendet, um die Feuchtigkeit zu der Wasserstoffgaszufuhrleitung
anzusaugen, die in die Wasserstoffgasabfuhrleitung fließt. Andererseits
wird als die oben beschriebene Kühlleitung
allgemein eine zweistufige Kühlung
verwendet, um die Flüssigkeitsverbindung
der Brennstoffzelle zu verhindern, in der die wässrige Lösung der Ethylenglykolserie,
elektrisch nichtleitend, als erstes Kühlfluid zwischen der Brennstoffzelle
und dem ersten Wärmeaustauscher
vom Fluid-Fluid-Typ zirkuliert, und das zweite Kühlfluid zwischen dem ersten
Wärmeaustauscher
und dem zweiten Wärmeaustauscher
(Kühler) vom
Gas-Flüssigkeits-Typ
zirkuliert wird.
-
Der
oben beschriebene Hohlfasermembran-Befeuchter hat ein Hohlfasermembranmodul, das
eine große
Anzahl von wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen
in einem Bündel
in einem zylinderartigen Gehäuse
enthält,
sowie Kopfblöcke,
die mit den jeweiligen Enden des Moduls verbunden sind. In diesem
Typ von Hohlfasermembran-Befeuchtern fließt die trockene Luft der Luftzufuhrleitung
als Spülgas
von einem zum anderen Kopfblock durch das zylinderartige Gehäuse. Gleichzeitig
fließt die
feuchtigkeitsreiche Restluft der Luftabfuhrleitung innerhalb der
jeweiligen Hohlfasermembranen eines Bündels als Kathodenabgas in
der entgegengesetzten Richtung. Die feuchtigkeitsreiche Restluft
der Luftabfuhrleitung wird entfeuchtet, und die trockene Luft der
Lufzufuhrleitung wird befeuchtet, durch den Feuchtigkeitsaustausch
zwischen dem ersteren Durchtritt innerhalb der jeweiligen Hohlfasermembranen
und dem letzteren Durchtritt über
die Außenumfangsflächen der
jeweiligen Hohlfasermembranen. Die poröse Hohlfasermembran, die für die Feuchtigkeit
in dem Gas durch Kapillarkondensation durchlässig ist, wird allgemein für die zuvor
beschriebene Hohlfasermembrane verwendet, da sie ein gutes Merkmal
von hoher Wärmebeständigkeit
hat. Die nichtporöse
Hohlfasermembrane (z.B. NAFION (RTM) von Du Pont) wird auch verwendet,
die nur für die
Feuchtigkeit in dem Gas durch Ionenhydratisierung durchlässig ist.
-
Die
Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems nimmt ab, wenn
beim Start die Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist und die Temperatur
der Luft, die dem Kathodeneinlass durch die Luftzufuhrleitung zugeführt wird,
niedrig ist. Insbesondere wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist,
kommt es zu einem Problem merklicher Abnahme der Stromerzeugung
der Brennstoffzelle, da die Temperatur der Luft, die dem Kathodeneinlass
zugeführt wird,
weiter abfällt
und die Befeuchtung abnimmt, und zwar wegen des Taupunktabfalls
der Befeuchtungsluft. Ein anderes Problem ist, dass die Haltbarkeit
der Brennstoffzelle schlechter wird. Wenn andererseits das Wasserstoffgas
der Wasserstoffgaszufuhrleitung durch den Wasseransaugejektor befeuchtet
wird, treten die gleichen Probleme wie oben beschrieben auf, falls
die Brennstoffzelle startet oder die Umgebungstemperatur niedrig
ist, da die Temperatur des Wasserstoffgases, das dem Anodeneinlass zugeführt wird,
aufgrund der latenten Verdampfungswärme abfällt, die aus dem Ejektorbetrieb
resultiert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem anzugeben,
das in der Lage ist, die Abnahme der Stromerzeugung der Brennstoffzelle
und ferner die Abnahme der Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verhindern,
auch wenn beim Start oder bei niedriger Umgebungstemperatur die
Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist.
-
Zur
Lösung
der obigen Probleme sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor,
das umfasst: eine Kühlleitung
zum Kühlen
einer Brennstoffzelle mit dem zwischen der Brennstoffzelle und einem
Wärmeaustauscher
zirkulierenden Kühlfluid;
eine Befeuchtungsvorrichtung vom Wasserdurchlässige-Membran-Typ, die das
Oxidationsgas, das dem Kathodeneinlass zugeführt wird, mittels eines Feuchtigkeitsaustauschs
mit dem feuchtigkeitsreichen Kathodenabgas, das von dem Kathodenauslass
der Brennstoffzelle abgegeben wird, befeuchtet; eine andere Befeuchtungsvorrichtung
vom Wasserdurchlässige-Membran-Typ,
die das Brenngas, das dem Anodeneinlass zugeführt wird, mittels eines Feuchtigkeitsaustauschs
mit dem feuchtigkeitsreichen Abgas, das von dem Auslass der Anode
oder Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wird, befeuchtet; und
eine Heizvorrichtung zum Erhitzen der Oxidations- und Brenngase
mit dem Kühlfluid
der Kühlleitung,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle absorbiert und in den Wärmeaustauscher fließt.
-
Wenn
in dem Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung bei
dessen Start das Oxidationsgas dem Kathodeneinlass zugeführt wird
und das Brenngas dem Anodeneinlass zugeführt wird, beginnt sie, elektrischen
Strom zu erzeugen und das feuchtigkeitsreiche Rest-Kathodenabgas
von dem Kathodenauslass abzugeben und das feuchtigkeitsreiche Anodenabgas
von dem Anodenauslass abzugeben. Dieses feuchtigkeitsreiche Kathodenabgas und
das dem Kathodeneinlass zugeführte
Oxidationsgas tauschen die Feuchtigkeit in der Befeuchtungsvorrichtung
mit wasserdurchlässiger
Membrane aus, so dass das abgegebene Kathodenabgas entfeuchtet wird
und das zugeführte
Oxidationsgas befeuchtet wird. Ähnlich
tauscht das feuchtigkeitsreiche Abgas, das vom Auslass der Anode
oder Kathode abgegeben wird, und das Brenngas, das dem Anodeneinlass
zugeführt
wird, die Feuchtigkeit in der Befeuchtungsvorrichtung mit wasserdurchlässiger Membrane
aus, so dass das abgegebene Abgas entfeuchtet wird und das zugeführte Brenngas
befeuchtet wird. Das Kühlfluid
der Kühlleitung
zirkuliert zwischen der Brennstoffzelle und dem Wärmeaustauscher,
um die Temperatur der Brennstoffzelle zu steuern. Durch diese Maßnahme erhitzt
die Heizvorrichtung das befeuchtete Oxidationsgas, das dem Kathodeneinlass
zugeführt
wird, sowie das befeuchtete Brenngas, das dem Anodengas zugeführt wird,
jeweils unter Verwendung des Kühlfluids,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle absorbiert hat und in den Wärmeaustauscher
fließt.
-
Wenn
die Heizvorrichtung so angeordnet ist, dass sie die jeweiligen Oxidations-
und Brenngase erhitzen kann, indem sie ihre Befeuchtungsvorrichtung
erhitzt, ist es bevorzugt, die Befeuchtung der Oxidations- und Brenngase
zu verstärken,
da diese Befeuchtungsvorrichtung die Oxidations- und Brenngase mit
den Temperaturen mit hohem Taupunkt befeuchten kann.
-
Die
Heizvorrichtung kann so angeordnet sein, dass das Oxidationsgas
durch einen Wärmeaustauscher
erhitzt wird, der in dem Oxidationsgaszuführweg vorgesehen ist, und das
Brenngas durch einen anderen Wärmeaustauscher
in dem Brenngaszuführweg.
Wenn in diesem Fall die jeweiligen Wärmeaustauscher stromauf der
jeweiligen Befeuchter angeordnet werden, ist es bevorzugt, die Befeuchtung
der Oxidations- und Brenngase schnell zu verstärken, da die Taupunkttemperaturen
durch Erhitzen der Oxidations- und Brenngase, die der Befeuchtungsvorrichtung
zugeführt
werden, vorab angehoben werden können.
-
Die
Heizvorrichtung kann auch so angeordnet sein, dass sie das Oxidationsgas
durch den Ladeluftkühler
erhitzt, der stromauf der Befeuchtungsvorrichtung in dem Zuführweg des
Oxidationsgases vorgesehen ist. Diese Anordnung erlaubt die Erhöhung der
Taupunkttemperatur, indem die Temperatur des der Befeuchtungsvorrichtung
zugeführten
Oxidationsgases vorab erhöht
wird, um hierdurch die Befeuchtung des Oxidationsgases durch die
Befeuchtungsvorrichtung schnell zu verstärken. Auch erübrigt sie
zusätzliche
Wärmeaustauscher,
was ein kompaktes Brennstoffzellensystem ermöglicht. Es wäre bevorzugt,
eine Schaltvorrichtung wie etwa ein Dreiwegeventil bereitzustellen,
um den Weg des Kühlfluids der
Kühlleitung
zu zirkulieren, das umschaltbar ist zwischen dem Kühlfluid,
das nach Absorption der Wärme
von der Brennstoffzelle in den Wärmeaustauscher
fließt,
und dem Kühlfluid,
das nach Kühlung
in dem Wärmeaustauscher
in die Brennstoffzelle fließt.
-
Ferner
kann die Heizvorrichtung so angeordnet sein, dass sie das Brenngas
durch Erhitzen des Wasseransaugejektors erhitzt, der in dem Zuführweg des
Brenngases vorgesehen ist. In diesem Fall wäre es bevorzugt, die Befeuchtung
des Brenngases durch den Wasseransaugejektor zu verstärken, da der
Wasseransaugejektor den Temperaturabfall des Brenngases verhindert,
der durch die latente Verdampfungswärme verursacht wird, während sie
das Brenngas befeuchtet.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Blockdiagramm, das das Brennstoffzellensystem nach der ersten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
2 ist
ein Blockdiagramm, das das Brennstoffzellensystem nach der zweiten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
3 ist
ein Blockdiagramm, das das Brennstoffzellensystem nach der dritten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
4 ist
ein Blockdiagramm, das das Brennstoffzellensystem nach der vierten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
-
Die
bevorzugten Ausführungen
nach der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das
das Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung
zeigt. Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem
nach der ersten Ausführung
enthält
eine Brennstoffzelle (FC) 1, eine Luftzuführleitung 2,
eine Luftabfuhrleitung 3, eine Wasserstoffgaszufuhrleitung 4,
eine Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 und eine Kühlleitung 6.
Das System ist z.B. an einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug als Stromversorgung
für den
Traktionsmotor angebracht.
-
Die
Brennstoffzelle (FC) 1 ist eine PEM-Brennstoffzelle, die
eine große
Anzahl von gestapelten Zellen aufweist und die stabilste Stromerzeugung
unter der Temperatur von 70 bis 80 Grad Celsius vorsieht. Die Brennstoffzelle
(FC) 1 ist so in einem Schaltkreis angeordnet, dass sie
die Elektrizität
der Batterie und der Treibereinheit des Traktionsmotors durch die
Ausgabestromsteuereinheit (nicht gezeigt) zuführt.
-
Die
Luftzufuhrleitung 2 führt
die Luft als sauerstoffhaltiges Oxidationsgas dem Kathodeneinlass der
Brennstoffzelle (FC) 1 zu. Ein Auflader (S/C) 2A und
ein Ladeluftkühler
(I/C) 2B sind in der Richtung von stromauf zu stromab der
Luftzufuhrleitung 2 angeordnet. Und stromab des Ladeluftkühlers (I/C) 2B sind
ein Wärmeaustauscher
(H/E) 2C und ein Hohlfasermembran-Befeuchter 2D angeordnet,
der eine Wasserdurchlässige-Membran-Befeuchtungsvorrichtung
ist, um dem Kathodeneinlass zugeführte Luft zu erhitzen und zu
befeuchten. Stromauf des Aufladers (S/C) 2A sind ein Schalldämpfer und
ein Luftfilter (nicht gezeigt) angeordnet.
-
Die
Luftabfuhrleitung 3 führt
das feuchtigkeitsreiche Abgas, die das Reaktionswasser enthaltende
Restluft, durch den Kathodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 ab.
Um die dem Kathodeneinlass zugeführte
Luft mit dem feuchtigkeitsreichen Kathodenabgas zu befeuchten, ist
der Hohlfasermembran-Befeuchter 2D in der Luftabfuhrleitung 3 vorgesehen,
und ein Abfuhrsteuerventil 3A für das Kathodenabgas ist stromab
des Hohlfaserbefeuchters 2D vorbereitet.
-
Die
Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 zirkuliert und liefert das
Wasserstoffgas. als Brenngas zum Anodeneinlass der Brennstoffzelle
(FC) 1. Ein Wasserstofftank 4A und ein Ejektor 4B sind
in der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 vorgesehen. Ein Wärmeaustauscher
(H/E) 4C ist stromauf des Ejektors 4B angeordnet,
um das Wasserstoffgas zu erhitzen, das dem Anodeneinlass zugeführt wird.
Andererseits ist stromab des Ejektors 4B ein Hohlfasermembran-Befeuchter 4D zur
Befeuchtung angeordnet, der ein Wasserdurchlässige-Membran-Befeuchter ist.
Parallel zu dem Hohlfasermembran-Befeuchter 4D, zwischen
stromab des Wärmeaustauschers
(H/E) 4C und stromab des Hohlfasermembran-Befeuchters 4D,
ist ein Ejektor 4E zum Wasseransaugen angeordnet (in der
folgenden Beschreibung der Ausführung
als Wasseransaugejektor 4E bezeichnet).
-
Der
Ejektor 4B und der Wasseransaugejektor 4E sind
eine Art Strahlpumpe, die angeordnet ist, um einen Unterdruck in
der Saugkammer zu erzeugen, durch Druckumwandlung der Hauptflussgeschwindigkeit
mit dem Diffusor und einer Düse
(nicht gezeigt). Er hat die Merkmale einfacher Konstruktion, leichter
Operation/Wartung und guter Haltbarkeit. Der Ejektor 4B saugt
das abgegebene Anodenabgas in die Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 und zirkuliert
es zur Wasserstoffgaszufuhrleitung 4. Andererseits saugt
der Wasseransaugejektor 4E das Kondenswasser in dem Anodenabgas,
das in die Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 abgegeben wird,
und zirkuliert es zur Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 zurück.
-
Die
Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 gibt das feuchtigkeitsreiche
Anodenabgas von dem Anodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 ab,
das das Restwasserstoffgas ist, das das Reaktionswasser enthält. Um das
dem Anodeneinlass zugeführte
Wasserstoffgas mit dem feuchtigkeitsreichen Anodenabgas zu befeuchten,
ist der Hohlfasermembran-Befeuchter 4D in der Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 angeordnet, und
ein Abfuhrsteuerventil 5A ist stromab des Hohlfasermembran-Befeuchters 4D vorgesehen.
-
Die
Kühlleitung 6 kühlt die
Brennstoffzelle (FC) 1 innerhalb des geeigneten Temperaturbereichs mit
dem Kühlfluid,
das zwischen der Brennstoffzelle (FC) 1 und einem Wärmeaustauscher 6A zirkuliert. Die
Kühlleitung 6 besitzt
zumindest einen Kühlfluidauslassweg 6C,
der das mittels eines Wärmeaustauschers 6A gekühlte Kühlfluid
zur Brennstoffzelle (FC) 1 mit einer Zirkulationspumpe 6B schickt,
und einen Kühlfluidrückführweg 6D,
der das Kühlfluid, das
die Wärme
von der Brennstoffzelle (FC) 1 absorbiert, zum Wärmeaustauscher 6A zurückführt. In
dieser Kühlleitung 6 sind
ein Bypass-Weg (nicht gezeigt) und ein Thermostatventil (nicht gezeigt),
das den Bypass-Weg entsprechend der für das Kühlfluid gesetzten Temperatur öffnet oder
schließt,
bereitgestellt, um das Aufwärmen
der Brennstoffzelle (FC) 1 zu fördern. Die Einstelltemperatur
vom Öffnen
des Bypass-Wegs ist normalerweise auf etwa 70 Grad Celsius gesetzt, und
die des Schließens
auf etwa 80 Grad Celsius.
-
Wenn
die Kühlleitung 6 nicht
die Sekundärkühlleitung
aufweist, die in der Figur gezeigt ist, die den Zirkulationsweg
des zweiten Kühlfluids
hat, enthält
der Wärmeaustauscher 6A einen
Kühler
vom Luftkühlungstyp
(Gas/Flüssigkeits-Typ),
der in der Lage ist, den Wärmeaustausch
mit der Atmosphäre auszuführen. Wenn
die Kühlleitung 6 eine
Sekundärkühlleitung
hat, die einen Kühler
besitzt, enthält
der Wärmeaustauscher 6A einen
Wärmeaustauscher vom
Flüssig-Flüssig-Typ,
der den Wärmeaustausch mit
dem sekundären
Kühlfluid
durchführen
kann.
-
Um
die Flüssigkeitsverbindung
der Brennstoffzelle (FC) 1 zu verhindern, wird reines Wasser mit
niedriger elektrischer Leitfähigkeit
oder eine elektrisch nicht leitfähige
wässrige
Lösung
der Ethylenglykolserie für
das Kühlfluid
verwendet, das zwischen dem Wärmeaustauscher 6A und
der Brennstoffzelle (FC) 1 zirkuliert. Die Rohrmaterialien
der Kühlfluidauslassund
-rückführwege 6C und 6D sind
aus Kunstharzrohren aufgebaut, die eine ausgezeichnete elektrische
Isolation und Beständigkeit
gegen Ionenaustausch haben.
-
In
dem Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführung erhitzt ein Heizmittel
die Luft, die dem Kathodeneinlass zugeführt wird, und das Wasserstoffgas,
das dem Anodeneinlass des Brennstoffzellensystems (FC) 1 zugeführt wird,
mittels des Kühlfluids
der Kühlleitung 6,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle (FC) 1 absorbiert und in den Wärmeaustauscher 6A fließt. In dem
Kühlfluidrückführweg 6D,
der von der Brennstoffzelle (FC) 1 zum Wärmeaustauscher 6A beginnt,
ist die Rohranordnung so, dass das Kühlfluid, nach Zirkulation durch
den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D, zum Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt,
und auch, nach Zirkulation durch den Wärmeaustauscher (H/E) 2C,
zum Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt,
um die Luft zu erhitzen, die durch die Luftzufuhrleitung 2 fließt. Ähnlich ist
in dem Kühlfluidrückführweg 6D,
der von der Brennstoffzelle (FC) 1 zum Wärmeaustauscher 6A beginnt,
die Rohranordnung so, dass das Kühlfluid,
nach Zirkulation durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D,
zum Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt,
und auch, nach Zirkulation durch den Wärmeaustauscher (H/E) 4C, zum
Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt,
wobei sie ferner, nach Zirkulation durch den Wasseransaugejektor 4E,
zum Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt, um
das Wasserstoffgas zu erhitzen, das durch die Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 fließt.
-
Der
Hohlfasermembran-Befeuchter 2D der Luftzufuhrleitung 2 hat
ein Hohlfasermembran-Modul, das viele poröse wasserdurchlässige Hohlfasermembranen
in einem Bündel
in dem zylindrischen Gehäuse
aufnimmt. Das Gehäuse
hat Löcher
an seinem Umfang am einen Ende, um Gas einzuführen, und am anderen Ende,
um es abzuführen.
Ein Ende des Hohlfasermembran-Moduls ist mit einem Kopfblock verbunden
und von diesem gehalten, der den Spülgasführungsweg und den Abgasabfuhrweg
aufweist. Sein anderes Ende ist mit dem anderen Kopfblock verbunden
und von diesem gehalten, der den Spülgasabfuhrweg und den Abgasführungsweg
aufweist. Und der Wassermantel, der Zirkulationsweg für das Kühlfluid,
ist um das zylindrische Gehäuse des
Hohlfasermembran-Befeuchters 2D herum
vorgesehen.
-
In
dem Hohlfasermembran-Befeuchter 2D fließt die trockene Luft, die durch
den Auflader (S/C) 2A der Luftzufuhrleitung 2 zwangsweise
dem Kathodeneinlass der Brennstoffzelle (FC) 1 zugeführt wird, in
den Spülgasführungsweg
des einen Kopfblocks hinein und aus dem Spülgasabfuhrweg des anderen Kopfblocks
hinaus, wobei es innerhalb des zylindrischen Gehäuses als Spülgas fließt. Ähnlich fließt die feuchtigkeitsreiche
Restluft, die von dem Kathodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgegeben
wird, in den Abgasführungsweg
hinein und aus dem Abgasabfuhrweg hinaus, wobei sie innerhalb der
jeweiligen Hohlfasermembrane des Bündels als Abgas fließt, in entgegengesetzter
Richtung des Spülgasflusses.
Das Kathodenabgas, die feuchtigkeitsreiche Restluft, die innerhalb
der jeweiligen Hohlfasermembranen fließt, und die trockene Luft,
die über
die Außenflächen der
jeweiligen Hohlfasermembranen fließt, führen den Feuchtigkeitsaustausch
zwischen diesen durch, wodurch das feuchtigkeitsreiche Kathodenabgas
der Luftabfuhrleitung 3 entfeuchtet wird und die trockene
Luft der Luftzufuhrleitung 2 befeuchtet wird.
-
Die
detaillierte strukturelle Erläuterung
des Hohlfasermembran-Befeuchters 4D der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 wird
weggelassen, da dieser strukturell der gleiche ist wie der Hohlfasermembran-Befeuchter 2D.
In diesem Hohlfasermembran-Befeuchter 4D fließt das feuchtigkeitsreiche Rest-Wasserstoffgas
der Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 innerhalb der jeweiligen
Hohlfasermembranen als Anodenabgas, und das trockene Wasserstoffgas der
Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 fließt über die Außenflächen der jeweiligen Hohlfasermembranen
als Spülgas.
Im Ergebnis wird das feuchtigkeitsreiche Rest-Wasserstoffgas entfeuchtet
und wird das trockene Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 befeuchtet.
-
Der
Wärmeaustauscher
(H/E) 2C ist der Wärmeaustauscher
vom Gas-Flüssigkeits-Typ,
der den Wärmeaustausch
zwischen der Luft der Luftzufuhrleitung 2 und dem Kühlfluid
der Kühlleitung 6 ausführt. Ähnlich ist
der Wärmeaustauscher
(H/E) 4C der Wärmeaustauscher
vom Gas-Flüssigkeits-Typ,
der den Wärmeaustausch
zwischen dem Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 und
dem Kühlfluid der
Kühlleitung 6 ausführt. Andererseits
saugt der Wasseransaugejektor 4E das Kondenswasser in dem
Anodenabgas; das von dem Anodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgegeben
wird, in die Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D.
Der Wasseransaugejektor 4E befeuchtet das trockene Wasserstoffgas
der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4, indem es dieses durch
den Diffusor und die Düse
(nicht) führt,
um es mit dem angesaugten Wasser zu vermischen. Der Wassermantel
des Kühlfluidzirkulationswegs
ist um den Wasseransaugejektor 4E herum vorgesehen.
-
In
dem wie oben angeordneten Brennstoffzellensystem nach der ersten
Ausführung
wird beim Starten desselben die Luft, die von dem Auflader (S/C) 2A der
Luftzufuhrleitung 2 zwangsweise gefördert wird, dem Kathodeneinlass
der Brennstoffzelle (FC) 1 durch den Ladeluftkühler (I/C) 2B,
den Wärmeaustauscher
(H/E) 2C und den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D zugeführt. Gleichzeitig
wird das Wasserstoffgas des Wasserstofftanks 4A der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 dem
Anodeneinlass der Brennstoffzelle (FC) 1 durch den Wärmeaustauscher (HE) 4C,
den Ejektor 4B und den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D zugeführt. Die
Brennstoffzelle (FC) 1 beginnt somit, elektrischen Strom
zu erzeugen, die feuchtigkeitsreiche Restluft von dem Kathodenauslass
als Kathodenabgas abzugeben und das feuchtigkeitsreiche Rest-Wasserstoffgas von
dem Anodenauslass als Anodenabgas abzugeben.
-
Sobald
das Brennstoffzellensystem startet, erfolgt der Feuchtigkeitsaustausch
durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D zwischen dem feuchtigkeitsreichen
Kathodenabgas und der Luftabfuhrleitung 3, das von dem
Kathodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgegeben wird,
und der Luft der Luftzufuhrleitung 2, die dem Kathodeneinlass
zugeführt
wird. Somit wird das Kathodenabgas der Luftabfuhrleitung 3 entfeuchtet
und wird die Luft der Luftzufuhrleitung 2 befeuchtet. Ähnlich erfolgt
der Feuchtigkeitsaustausch durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D zwischen
dem feuchtigkeitsreichen Anodenabgas der Wasserstoffgasabfuhrleitung 5,
das von dem Anodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgegeben
wird, und dem Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4,
das dem Anodeneinlass zugeführt
wird. Somit wird das Anodenabgas der Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 entfeuchtet
und wird das Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 befeuchtet.
Der Wasseransaugejektor 4E befeuchtet auch das Wasserstoffgas
der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4, indem er das abgegebene
Wasser in die Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 saugt und es
mit dem Wasserstoffgas vermischt.
-
Das
Kühlfluid
zirkuliert zwischen der Brennstoffzelle (FC) 1 und dem
Wärmeaustauscher 6A durch
die Kühlfluidauslass-
und -rückführwege 6C und 6D,
um die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 zu steuern,
wenn der Betrieb der Zirkulationspumpe 6b der Kühlleitung 6 startet.
Das Kühlfluid,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle (FC) 1 absorbiert hat, zirkuliert
durch und erhitzt den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D, den
Wärmeaustauscher
(H/E) 2C, den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D,
den Wärmeaustauscher
(H/E) 4C und den Wasseransaugejektor 4E und kehrt
durch den Kühlfluidrückführweg 6D zum
Wärmeaustauscher 6A zurück. Daher wird
die durch die Luftzufuhrleitung 2 fließende Luft durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D und den
Wärmeaustauscher
(H/E) 2C erhitzt. Ähnlich wird
das durch die Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 fließende Wasserstoffgas
durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4D, den Wärmeaustauscher
(H/E) 4C und den Wasseransaugejektor 4E erhitzt.
-
Das
Brennstoffzellensystem nach der ersten Ausführung erlaubt es, die Temperaturen
der Luft, die dem Kathodeneinlass zugeführt wird, und des Wasserstoffgases,
das dem Anodeneinlass zugeführt wird,
angenähert
gleich der der Brennstoffzelle (FC) 1 zu halten, auch wenn
beim Start die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 niedrig
ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist. Auch verhindert sie
eine Abnahme der Befeuchtung der Luft und des Wasserstoffgases,
indem sie vermeidet, dass ihre Taupunkttemperatur abfällt. Demzufolge
kann verhindert werden, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle (FC) 1 abnimmt
und auch, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle (FC) 1 schlechter
wird.
-
Der
stromaufwärtige
Wärmeaustauscher (H/E) 2C erhitzt
vorab die Luft, die dem Hohlfasermembran-Befeuchter 2D der
Luftzufuhrleitung 2 zugeführt wird, und der Hohlfasermembran-Befeuchter 2D heizt
sie weiter auf. Somit ist der Hohlfasermembran-Befeuchter 2D in
der Lage, die Luft mit der Temperatur hohen Taupunkts zu befeuchten,
wodurch es möglich
wird, die Befeuchtung zu verstärken. Ähnlich erhitzt
der stromaufwärtige Wärmeaustauscher
(H/E) 4C vorab das Wasserstoffgas, das dem Hohlfasermembran-Befeuchter 4D der
Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 zugeführt wird. Somit ist der Hohlfasermembran-Befeuchter 4D in
der Lage, das Wasserstoffgas mit der Temperatur hohen Taupunkts
zu befeuchten, was es ermöglicht,
die Befeuchtung zu verstärken. Der
Temperaturabfall des Wasserstoffgases, der sich aus der latenten
Verdampfungswärme
bei der Befeuchtung ergibt, kann verhindert werden, da der Wasseransaugejektor 4E erhitzt
wird. Infolgedessen steigt die Taupunkttemperatur des Wasserstoffgases in
dem Wasseransaugejektor 4E an, was die Befeuchtung des
Wasserstoffgases durch den Wasseransaugejektor 4E fördert.
-
Das
Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführung der Erfindung wird in
Bezug auf 2 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem nach
der zweiten Ausführung
unterscheidet sich von jener nach der ersten Ausführung darin,
dass der Hohlfasermembran-Befeuchter 4D durch 4G ersetzt ist.
Der Hohlfasermembran-Befeuchter 4G ist quer zur Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 und
zur Luftabfuhrleitung 3 verlegt, wohingegen der Hohlfasermembran-Befeuchter 4D quer
zur Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 und zur Wasserstoffgasabfuhrleitung 5 verlegt
ist. Da das Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführung das
gleiche ist wie das der ersten Ausführung, außer für das eine oben beschriebene,
werden Detailerläuterungen
weggelassen, wobei sie die gleichen Symbole trägt.
-
Der
Hohlfasermembran-Befeuchter 4G des Brennstoffzellensystems
nach der zweiten Ausführung
ist so angeordnet, dass die feuchtigkeitsreiche Restluft der Luftabfuhrleitung 3,
die von dem Kathodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgeführt wird, innerhalb
der jeweiligen Hohlfasermembranen des Bündels als Abgas fließt, und
das trockene Wasserstoffgas, das von dem Ejektor 4B der
Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 geschickt wird, fließt über die
Außenflächen der
jeweiligen Hohlfasermembranen als Spülgas. Jede Hohlfasermembran
des Hohlfasermembran-Befeuchters 4G ist vom nichtporösen Typ, die
für Gase
wie etwa Sauerstoff nicht durchlässig
ist, sondern nur für
Feuchtigkeit durch Ionenhydratisierung. Die Rohranordnung des Kühlfluids
zurück
zum Weg 6D der Kühlleitung 6 ist
so, dass das Kühlfluid durch
den Hohlfasermembran-Befeuchter 4G zirkuliert und zum Wärmeaustauscher 6A zurückkehrt,
um das Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 zu
erhitzen, das durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4G fließt.
-
In
dem Brennstoffzellensystem nach der zweiten Ausführung erfolgt der Feuchtigkeitsaustausch
zwischen dem feuchtigkeitsreichen Kathodenabgas der Luftabfuhrleitung 3,
das von dem Kathodenauslass der Brennstoffzelle (FC) 1 abgegeben wird,
und dem Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4,
das dem Anodeneinlass zugeführt wird.
Der Hohlfasermembran-Befeuchter 4G unterbricht den Durchtritt
des in dem Kathodenabgas enthaltenen Wasserstoffs und lässt nur
die Feuchtigkeit in dem Kathodenabgas durch die jeweiligen nichtporösen Hohlfasermembranen
mittels Ionenhydratisierung hindurchtreten. Mit dieser durchgetretenen Feuchtigkeit
wird das trockene Wasserstoffgas der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 befeuchtet.
Das Kühlfluid
der Kühlleitung 6,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle (FC) 1 absorbiert hat, zirkuliert
durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4G durch den Kühlfluidrückführweg 6D,
um hierdurch das durch die Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 hindurchtretende Wasserstoffgas
durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 4G zu erhitzen.
-
Es
ist anzunehmen, dass das Brennstoffzellensystem nach der zweiten
Ausführung
die gleichen Effekte wie jene nach der ersten Ausführung erreicht, solange
die Konstruktion zwischen diesen die gleiche ist. Somit erlaubt
es das Brennstoffsystem nach der zweiten Ausführung, die Temperaturen der
Luft, die dem Kathodeneinlass zugeführt wird, und des Wasserstoffgases,
das dem Anodeneinlass zugeführt wird,
angenähert gleich
jener der Brennstoffzelle (FC) 1 zu halten, auch wenn die
Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 beim Start niedrig
ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist. Auch verhindert sie,
dass die Befeuchtung der Luft und des Wasserstoffgases abnimmt,
indem sie vermeidet, dass ihre Taupunkttemperatur abfällt. Demzufolge
kann verhindert werden, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle
(FC) 1 abnimmt und auch, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle
(FC) 1 schlechter wird.
-
Das
Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführung der Erfindung wird in
Bezug auf 3 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem
nach der dritten Ausführung
unterscheidet sich von jener der ersten Ausführung darin, dass der Wärmeaustauscher
(H/E) 2C aus der Luftzufuhrleitung 2 weggelassen
ist und die Anordnung der Kühlfluidauslass-
und -rückführwege 6C und 6D modifiziert
ist. Da das Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführung das
gleiche ist wie das der ersten Ausführung, außer für das oben beschriebene, werden
Detailerläuterungen
weggelassen, wobei es die gleichen Symbole trägt.
-
In
dem Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführung ist die Rohranordnung
des Kühlfluidrückführwegs 6D der
Kühlleitung 6 so,
dass das Kühlfluid
zu dem Wärmeaustauscher 6a zurückkehrt,
wobei es nicht durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D zierkuliert,
sondern durch den Ladeluftkühler (I/C) 2B zirkuliert.
In dem Kühlfluidrückführweg 6D ist ein
Dreiwegeventil 6E auf dem Weg von der Brennstoffzelle (FC) 1 zum
Ladeluftkühler
(U/C) 2B angeordnet, und ein anderes Dreiwegeventil 6F ist
auf dem Weg von dem Ladeluftkühler
(I/C) 2B zu dem Wärmeaustauscher 6A angeordnet.
Stromauf einer Zirkulationspumpe 6B ist ein Zweigweg 6G vorgesehen,
der von dem Kühlfluidauslassweg 6C abzweigt und
mit dem Dreiwegeventil 6E verbunden ist, sowie ein Vereinigungsweg 6H,
der von dem Dreiwegeventil 6F abzweigt und sich mit dem
Kühlfluidauslassweg 6C vereinigt,
damit das von der Zirkulationspumpe 6B zugeführte Kühlfluid
durch den Ladeluftkühler (I/C) 2B zirkulieren
kann.
-
Wenn
die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 beim Start niedrig
ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist, verschließt das Dreiwegeventil 6E den
Abzweigungsweg 6G und öffnet
den Kühlfluidrückführweg 6D von
der Brennstoffzelle (FC) 1 zu dem Ladeluftkühler (I/C) 2B;
und das Dreiwegeventil 6F verschließt den Vereinigungsweg 6H und
schaltet um, um dem Kühlfluidrückführweg 6D von
dem Ladeluftkühler
(I/C) 2B zum Wärmeaustauscher 6A zu öffnen. Somit
zirkuliert das Kühlfluid
des Kühlfluidrückführwegs 6D durch
den Ladeluftkühler
(IC) 2B. Die Luft der Luftzufuhrleitung 2, die
dem Hohlfasermembran-Befeuchter 2D durch den Auflader (S/C) 2A zugeführt wird,
wird durch das Kühlfluid
des Kühlfluidrückführwegs 6D durch
den Ladeluftkühler 2B erhitzt, das
Wärme von
der Brennstoffzelle (FC) 1 absorbiert hat. Daher kann der
Hohlfasermembran-Befeuchter 2D die Luft mit der Temperatur
hohen Taupunkts befeuchten, was die Befeuchtung der Luft verstärkt.
-
Wenn
das Aufwärmen
der Brennstoffzelle (FC) 1 abgeschlossen ist, verbindet
das Dreiwegeventil 6E den Verzweigungsweg 6G mit
dem Kühlfluidrückführweg 6D,
der zu dem Ladeluftkühler
(I/C) 2B führt,
und das Dreiwegeventil 6f schaltet um, um den Kühlfluidrückführweg 6D,
der von dem Ladeluftkühler (I/C) 2B kommt,
mit dem Vereinigungsweg 6H zu verbinden. Anschließend wird
das Kühlfluid,
das die Zirkulationspumpe 6B nach außen pumpt, in dem Ladeluftkühler (I/C) 2B zirkuliert.
-
Es
ist anzunehmen, dass das Brennstoffzellensystem nach der dritten
Ausführung
die gleichen Effekte wie jene nach der ersten Ausführung erreicht. Somit
erlaubt es das Brennstoffzellensystem nach der dritten Ausführung, die
Temperaturen der Luft, die dem Kathodeneinlass zugeführt wird,
und des Wasserstoffgases, das dem Anodeneinlass zugeführt wird,
angenähert
gleich jener der Brennstoffzelle (FC) 1 zu halten, auch
wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 beim Start
niedrig ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist. Auch verhindert sie,
dass die Befeuchtung der Luft und des Wasserstoffgases abnimmt,
indem sie verhindert, dass ihre Taupunkttemperatur abfällt. Demzufolge
kann verhindert werden, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle
(FC) 1 abnimmt, und auch, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle
(FC) 1 schlechter wird.
-
Das
Brennstoffzellensystem nach der vierten Ausführung der Erfindung wird anhand
von 4 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem nach
der vierten Ausführung
unterscheidet sich von jener nach der ersten Ausführung darin,
dass der Wärmeaustauscher
(H/E) 2C aus der Luftzufuhrleitung 2 weggelassen
ist, dass der Wärmeaustauscher
(H/E) 4C und der Wasseransaugejektor 4E aus der
Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 weggelassen sind, und dass
die Anordnung des Kühlfluidrückführwegs 6D der
Kühlleitung 6 entsprechend
modifiziert ist. Ein Heizer 2E, wie etwa ein elektrischer
Heizer, ist stromab des Hohlfasermembran-Befeuchters 4D der
Luftzufuhrleitung 2 vorgesehen, und ein Heizer 4F ähnlicher Bauart
ist stromab des Hohlfasermembran-Befeuchters 4D der Wasserstoffgaszufuhrleitung 4 vorgesehen.
Da das Brennstoffzellensystem nach der vierten Ausführung das
gleiche ist wie das der ersten Ausführung, außer für das oben beschriebene, werden Detailerläuterungen
weggelassen, wobei es die gleichen Symbole trägt.
-
Wenn
die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 beim Start niedrig
ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist, wird die Luft, die
dem Kathodeneinlass der Brennstoffzelle (FC) 1 durch den
Auflader (S/C) 2A der Luftzufuhrleitung 2 zugeführt wird,
durch den Heizer 2E erhitzt, kurz nachdem sie durch den Hohlfasermembran-Befeuchter 2D befeuchtet
worden ist. Das Wasserstoffgas, das dem Anodeneinlass der Brennstoffzelle
(FC) 1 von dem Wasserstofftank 4A zugeführt wird,
wird durch den Heizer 4F erhitzt, kurz nachdem es von dem
Hohlfasermembran- Befeuchter 4D befeuchtet
worden ist. Somit werden die Temperaturen der Luft und des Wasserstoffgases, die
der Brennstoffzelle (FC) 1 zugeführt werden, angehoben, und
die resultierenden Anstiege der Taupunkttemperaturen gestatten es
auch, kondensierte Feuchtigkeit zu verdampfen, um hierdurch die
Befeuchtung der Luft und des Wasserstoffgases zu verstärken.
-
Es
ist anzunehmen, dass das Brennstoffzellensystem nach der vierten
Ausführung
die gleichen Effekte wie jene nach der ersten Ausführung erreicht, solange
die Konstruktion zwischen diesen die gleiche ist. Somit erlaubt
es das Brennstoffzellensystem nach der vierten Ausführung, die
Temperaturen der Luft, die dem Kathodeneinlass zugeführt wird,
und des Wasserstoffgases, das dem Anodeneinlass zugeführt wird,
angenähert
gleich jener der Brennstoffzelle (FC) 1 zu halten, auch
wenn die Temperatur der Brennstoffzelle (FC) 1 beim Start
niedrig ist oder die Umgebungstemperatur niedrig ist. Auch verhindert sie,
dass die Befeuchtung der Luft und des Wasserstoffgases abnimmt,
indem sie vermeidet, dass ihre Taupunkttemperatur abfällt. Demzufolge
kann verhindert werden, dass die Stromerzeugung der Brennstoffzelle
(FC) 1 abnimmt und auch, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle
(FC) 1 schlechter wird.
-
Die
Hohlfasermembran-Befeuchter 2D und 4D nach der
ersten, dritten oder vierten Ausführung kann nichtporöse Ionenhydratisierungs-Hohlfasermembranen
verwenden, um ein Bündel
von Hohlfasermembranen zu bilden, wie der Hohlfasermembran-Befeuchter 4G des
Brennstoffzellensystems nach der zweiten Ausführung. Dieser Typ von nichtporöser Hohlfasermembrane
erlaubt nur den Durchtritt der Feuchtigkeit in dem Gas durch Ionenhydratisierung
und verhindert den Durchtritt anderer Gasbestandteile. NAFION (RTM)
von Du Pont ist als eines der Beispiele bekannt.
-
Die
vorliegende Erfindung sieht das Brennstoffzellensystem vor, in dem
die Abnahme der Stromerzeugung und das Schlechterwerden der Haltbarkeit
der Brennstoffzelle verhindert werden können, auch wenn die Temperatur
der Brennstoffzelle beim Start niedrig ist oder die Umgebungstemperatur
niedrig ist. Wenn die Brennstoffzelle die elektrische Stromerzeugung
beginnt, wird die dem Kathodeneinlass zugeführte Luft durch den Hohlfasermembran-Befeuchter
befeuchtet, und das dem Anodeneinlass zugeführte Wasserstoffgas wird durch
einen anderen Hohlfasermembran-Befeuchter
befeuchtet. Das Kühlfluid
der Kühlleitung,
das die Wärme
von der Brennstoffzelle absorbiert und in den Wärmeaustauscher fließt, erhitzt
die Hohlfasermembran-Befeuchter. Somit wird die Befeuchtung gefördert, indem
die befeuchtete Luft und das Wasserstoffgas erhitzt werden, um ihre
Taupunkttemperaturen anzuheben.