DE102014226855A1

DE102014226855A1 - Luftbefeuchtungsvorrichtung und Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle unter Verwendung eines Injektors

Info

Publication number: DE102014226855A1
Application number: DE102014226855.9A
Authority: DE
Inventors: Hyuck Roul Kwon; Hyun Yoo Kim; Chang Ha Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2015-12-03
Also published as: US9640815B2; US20150349361A1; JP2015225854A; CN105226312A; JP6444727B2

Abstract

Bereitgestellt sind eine Luftbefeuchtungsvorrichtung und ein Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle. Die Luftbefeuchtungsvorrichtung und das Luftbefeuchtungsverfahren für die Brennstoffzelle können einen Luftkompressor und durch den Luftkompressor komprimierte Luft kühlen und an die Brennstoffzelle zugeführte Luft durch Mischen von Wasser mit Luft und Einspritzen des Gemisches in einen Einlass des Luftkompressors leicht befeuchten. Insbesondere können die Luftbefeuchtungsvorrichtung und das Luftbefeuchtungsverfahren an eine Kathode der Brennstoffzelle zugeführte Luft durch Umleiten eines Teils der komprimierten Luft von einem Auslass eines Luftkompressors, der Luft an die Kathode der Brennstoffzelle zuführt, und gleichzeitig durch Einspritzen von kondensiertem Wasser, das von einem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, in einen Einlass des Luftkompressors unter Verwendung der umgeleiteten komprimierten Luft leicht befeuchten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftbefeuchtungsvorrichtung und ein Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle. Die Luftbefeuchtungsvorrichtung und das Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle können einen Luftkompressor und durch den Luftkompressor komprimierte Luft kühlen und somit kann an die Brennstoffzelle zugeführte Luft durch Mischen von Wasser mit Luft und Einspritzen des Gemisches in einen Einlass des Luftkompressors leicht befeuchtet werden.
HINTERGRUND
Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist ein Fahrzeug, das durch eine Brennstoffzelle, die chemische Energie in elektrische Energie durch eine Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff umwandelt, angetrieben wird. Als in dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendete Brennstoffzelle ist in der Regel eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle verwendet worden.
Wenn die Polymerelektrolytmembran in ausreichender Weise in Wasser getaucht wird, wird die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran erhöht, und als Folge wird ein Verlust durch einen Widerstand verringert. Wenn die relative Feuchte von Luft und Wasserstoff, die an die Polymerelektrolytmembran zugeführt werden, wesentlich ist, wird die Feuchtigkeit der Polymerelektrolytmembran verringert und die Ionenleitfähigkeit der Polymerelektrolytmembran wird reduziert, und als Folge nimmt der Verlust durch einen Widerstand zu. Indessen, wenn Reaktionsgas mit einer im Wesentlichen verringerten Feuchte kontinuierlich zugeführt wird, wird die Elektrolytmembran schließlich getrocknet und kann somit als Elektrolytmembran überhaupt nicht verwendet werden. Als solches muss in den Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen das zugeführte Gas befeuchtet werden.
Dementsprechend sind verschiedene Verfahren zum Befeuchten einer Brennstoffzelle für ein Fahrzeug entwickelt worden und als eine derzeit verwendete Vorrichtung zum Befeuchten der Brennstoffzelle für das Fahrzeug ist eine Gas-Gas-Membran-Befeuchtungsvorrichtung häufig verwendet worden.
Die Gas-Gas-Membran-Befeuchtungsvorrichtung basiert auf einem Verfahren zum Bilden eines Brennstoffzellen-Abgasstromes in einer ersten Oberfläche derselben und eines Gasstromes in einer zweiten Oberfläche mit einer Membran, durch die nur Feuchtigkeit die Membran durchdringen kann. Insbesondere wird das zugeführte Gas von einem Stapel abgeführt und nimmt gleichzeitig Wärme und Wasser von dem Abgas auf, dessen Temperatur erhöht und Feuchtigkeit gesättigt ist.
Jedoch kann die Gas-Gas-Membran-Befeuchtungsvorrichtung aufgrund von hohen Herstellungskosten einer Austauschmembran auch teuer sein. Ferner weist die Gas-Gas-Membran-Befeuchtungsvorrichtung möglicherweise keine ausreichende Befeuchtungsleistung auf und kann möglicherweise keine genügende Befeuchtung in einem Hochlastbereich durchführen, und als ein Ergebnis kann ein Fahrzeug auf einer bergaufführenden Straße anhalten/stoppen.
Unterdessen kann in der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung zum Befeuchten der Brennstoffzelle die Befeuchtungsmenge möglicherweise nicht optimal gesteuert werden. Im Stand der Technik kann im Allgemeinen eine Injektor-Befeuchtung zum Steuern der Befeuchtungsmenge verwendet werden.
Die Injektor-Befeuchtung bezieht sich auf ein Einspritzen von Wasser durch den Injektor, um das Wasser zu zerstäuben, so dass eine Oberfläche zum Verdampfen des Wassers ansteigen kann, wodurch die Befeuchtungswirkung verbessert wird.
Die Befeuchtung unter Verwendung des Injektors kann Vorteile aufweisen. Zum Beispiel kann die Befeuchtungsmenge einfach gesteuert werden, Injektor-Befeuchtungs-Technologien, die in anderen technischen Feldern angewendet und erforscht worden sind, können angewendet werden, die Kosten der Vorrichtung können weniger betragen und dergleichen.
Im Stand der Technik, als ein Beispiel der bestehenden Injektor-Befeuchtungs-Technologie, ist eine Gasbefeuchtungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems entwickelt worden. Die Vorrichtung umfasst eine Wasserpumpe, die Wasser von einer externen Versorgungsquelle pumpt, einen Luftkompressor, der Außenluft komprimiert, und eine Mischkammer und eine magnetische Einspritzdüse zum Mischen und Einspritzen der komprimierten Luft und des Wassers.
Jedoch umfasst das Brennstoffzellensystem auch verschiedene Komponenten, wie beispielsweise den Kompressor, die Mischkammer und dergleichen zusätzlich zu der Wasserpumpe, und wenn eine zusätzliche Vorrichtung angebracht wird, können die Kosten ansteigen und ein Volumen eines Montage-/Befestigungsbereichs kann zunehmen. Ferner, da Komponenten mit beweglichen Teilen, wie beispielsweise die Wasserpumpe, Einspritzdüse und dergleichen, in denen Wasser fließen/strömen kann, so wie sie sind, nach außen freigelegt sind, kann das Wasser bei kalten Temperaturen leicht gefrieren oder austreten.
In einem weiteren Beispiel aus dem Stand der Technik ist eine Wasserversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt worden. Wenn eine geeignete Menge an Wasser durch eine Wasserpumpe gepumpt wird, und zur gleichen Zeit in einen Einlass eines Schraubenverdichters durch eine magnetische Düse eingespritzt wird, kann das eingespritzte Wasser zusammen mit Luft komprimiert werden, durch einen Nachkühler gekühlt werden und dann an die Brennstoffzelle in der Wasserversorgungsvorrichtung zugeführt werden.
Jedoch, wie oben beschrieben, da die Komponenten mit beweglichen Teilen, wie beispielsweise die Wasserpumpe, Magnetdüse und dergleichen, in denen Wasser fließt/strömt, so wie sie sind, ebenfalls nach außen freigelegt sind, kann das Wasser bei kalter Witterung leicht gefrieren oder austreten.
Die obigen Informationen, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Luftbefeuchtungsvorrichtung und ein Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle bereit, die an eine Kathode der Brennstoffzelle zugeführte Luft leicht befeuchten und einen Luftkühleffekt erzielen können. Als solches kann eine Temperaturerhöhung im Voraus verhindert werden durch Komprimieren der zugeführten Luft, durch Umleiten eines Teils der komprimierten Luft von einem Auslass eines Luftkompressors, der Luft an die Kathode der Brennstoffzelle zuführt, und gleichzeitig durch Einspritzen von kondensiertem Wasser, das von dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, in einen Einlass des Luftkompressors durch die umgeleitete komprimierte Luft (Druckluft).
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereit. In einem Ausführungsbeispiel kann die Luftbefeuchtungsvorrichtung umfassen: einen Luftkompressor, der Luft an eine Kathode der Brennstoffzelle zuführt; und eine Sprühvorrichtung, die in einer mit einem Einlass des Luftkompressors verbundenen Luftversorgungsleitung angeordnet ist und kondensiertes Wasser, das von der Brennstoffzelle von einem Auslass des Luftkompressors abgeführt wird, in den Einlass des Luftkompressors unter Verwendung eines Drucks der umgeleiteten Druckluft einspritzt.
Insbesondere kann eine Bypass-Leitung, die den Auslass des Luftkompressors mit einem Einlass eines Injektors verbindet, mit einem Bypass-Ventil, das einen Öffnungs- und Schließwinkel steuern kann, versehen sein.
Darüber hinaus kann der Injektor eine Zweistoffsprühdüse sein, die umfassen kann: einen äußeren Hohlkörper mit einer ersten Düse, die an einem zentralen Teil/Abschnitt einer Seite des äußeren Hohlkörpers angeordnet ist; und einen inneren Hohlkörper mit einer zweiten Düse, die in den zentralen Teil/Abschnitt der ersten Düse eingesetzt und an einem Ende des inneren Hohlkörpers angeordnet ist.
Außerdem kann der Injektor eine Zweistoffsprühdüse sein, umfassend: einen äußeren Hohlkörper mit einer ersten Düse, die an einem zentralen Teil/Abschnitt einer Seite des äußeren Hohlkörpers angeordnet ist; und einen inneren Hohlkörper mit einer zweiten Düse, die in den zentralen Teil/Abschnitt der ersten Düse beabstandet eingesetzt ist und an einem Ende davon angeordnet ist.
Insbesondere kann ein Raum zwischen dem äußeren Hohlkörper und dem inneren Hohlkörper des Injektors als ein Druckluft-Strömungsraum, der mit dem Auslass des Luftkompressors durch eine Bypass-Leitung in Verbindung stehend verbunden ist, gebildet sein. Darüber hinaus kann ein Innenraum des inneren Hohlkörpers als ein Kondenswasser-Strömungsraum, der durch eine mit einem Kondenswasserbehälter der Brennstoffzelle verbundene Kondenswasser-Abführleitung in Verbindung stehend verbunden ist, gebildet sein.
Des Weiteren kann der Auslass des Luftkompressors mit einem Feuchtigkeitssensor zum Messen der relativen Feuchte neben einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur für die an die Kathode zugeführte Luft versehen sein.
In einer weiteren Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle bereit, das umfassen kann: Ansaugen und Komprimieren von Außenluft durch einen Luftkompressor und Zuführen der komprimierten Außenluft an die Brennstoffzelle; Umleiten eines Teils der komprimierten Luft (Druckluft) von einem Auslass des Luftkompressors an eine Einlassseite des Luftkompressors; Einspritzen von kondensiertem Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, in den Einlass des Luftkompressors und gleichzeitig Ansaugen des kondensierten Wassers, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, unter Verwendung eines Drucks der komprimierten Luft, die an die Einlassseite des Luftkompressors umgeleitet wird; und Führen/Leiten der Außenluft durch den Luftkompressor, während die Außenluft durch das eingespritzte Kondenswasser befeuchtet wird.
Insbesondere wenn eine Auslasstemperatur T_o des Luftkompressors eine vorgegebene Temperatur T_t oder mehr erreicht, kann das eingespritzte Kondenswasser an den Einlass des Luftkompressors zusammen mit der komprimierten Luft umgeleitet werden; und wenn T_o kleiner als T_t ist, kann die Einspritzung des Kondenswassers stoppen.
Darüber hinaus kann eine Einspritzmenge des kondensierten Wassers eine Bypass-Menge der komprimierten Luft, die von dem Auslass des Luftkompressors zu dem Einlass umgeleitet wird, steuern, wodurch eine relative Feuchte an einer Auslassseite des Luftkompressors derart eingestellt wird, dass sie gleich oder kleiner als ungefähr 100% ist.
Alternativ kann eine Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle umfassen: einen Luftkompressor, der Luft an eine Kathode der Brennstoffzelle zuführt; und einen Injektor, der in einer mit einem Einlass des Luftkompressors verbundenen Luftversorgungsleitung angeordnet ist und kondensiertes Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, direkt an einen Einlass des Luftkompressors einspritzt.
Insbesondere kann der Injektor eine Wassereinspritzdüse sein, die das kondensierte Wasser von einem Kondenswasserbehälter, in dem das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser bevorratet wird, durch eine Kondenswasser-Abführleitung direkt einspritzt.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle bereit. Das Verfahren kann umfassen: Ansaugen und Komprimieren von Außenluft durch einen Luftkompressor und Zuführen der komprimierten Außenluft an die Brennstoffzelle; direktes Einspritzen von kondensiertem Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, in einen Einlass des Luftkompressors unter Verwendung einer Wassereinspritzdüse; und Führen/Leiten der Außenluft durch den Luftkompressor, während die Außenluft durch das eingespritzte Kondenswasser befeuchtet wird.
Durch die obige Konfiguration/Anordnung weist die vorliegende Erfindung Vorteile auf. Zum Beispiel kann die an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführte Luft durch Umleiten eines Teils der komprimierten Luft von dem Auslass des Luftkompressors zum Zuführen von Außenluft an die Kathode der Brennstoffzelle und gleichzeitiges Einspritzen des kondensierten Wassers, das von dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, in den Einlass des Luftkompressors unter Verwendung des Drucks der umgeleiteten komprimierten Luft leicht befeuchtet werden. Darüber hinaus können Kosten durch Beseitigen der herkömmlichen Pumpe zum Zuführen und Pumpen von Wasser und dergleichen reduziert werden. Ferner können ein Einfrier-Phänomen, ein Korrosions-Phänomen und dergleichen der Wasserversorgungsleitung samt der Wasserpumpe und dergleichen verhindert werden, indem das von dem Brennstoffzellensystem abgeführte kondensierte Wasser wiederverwendet wird, um die Luft zu befeuchten. Außerdem kann die Last des Befeuchters durch Erhöhen der relativen Feuchte der Luft, die an die Kathode der Brennstoffzelle von dem Einlass des Luftkompressors zugeführt wird, abnehmen, wenn ein separater Befeuchter ferner an der Einlassseite der Kathode angebracht wird. Die Befeuchtungskapazität und die Größe des Befeuchters, der an der Einlassseite der Kathode separat angebracht wird, können sich durch Erhöhen der relativen Feuchte der Luft, die an die Kathode der Brennstoffzelle von dem Einlass des Luftkompressors zugeführt wird, im Voraus verringern. Darüber hinaus kann eine Kühlwirkung der komprimierten Luft durch das kondensierte Wasser, das in den Einlass des Luftkompressors eingespritzt wird, und den Luftkompressor erzielt werden, wodurch die aerodynamische Leistung und die Effizienz des Luftkompressors verbessert werden. Die Befeuchtungsmenge kann ebenfalls durch Hinzufügen eines Steuerelements gesteuert/geregelt werden.
Weiterhin sind bevorzugte Brennstoffzellensysteme bereitgestellt, die Brennstoffzellen-Luftbefeuchtungsvorrichtungen der Erfindung umfassen. Darüber hinaus sind bevorzugte Fahrzeuge bereitgestellt und die Fahrzeuge weisen Brennstoffzellensysteme mit den Brennstoffzellen-Luftbefeuchtungsvorrichtungen der Erfindung auf.
Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
1 eine beispielhafte Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 und 3 Schnittdarstellungen, die eine beispielhafte Zweistoffsprühdüse, die bei einer beispielhaften Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle eine Anwendung finden kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen; und
4 eine beispielhafte Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Offenbarung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
Nachstehend wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele derselben in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Erfindung auf jene Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsbeispiele abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, die innerhalb der Lehre und des Umfangs Erfindung umfasst sein können, wie dies durch die beigefügten Ansprüche bestimmt wird.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann an eine Kathode einer Brennstoffzelle zugeführte Luft durch Umleiten eines Teils der komprimierten Luft von einem Auslass eines Luftkompressors zum Zuführen von Außenluft an die Kathode der Brennstoffzelle und gleichzeitig durch Einspritzen von kondensiertem Wasser, das von einem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, in einen Einlass des Luftkompressors unter Verwendung der umgeleiteten komprimierten Luft leicht befeuchtet werden.
1 zeigt eine beispielhafte Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In 1 kann eine Zweistoffsprühdüse 100 als ein Injektor zum Einspritzen von Wasser unter Verwendung von Hochdruckluft als eine Energiequelle verwendet werden.
Demzufolge kann der Injektor die Zweistoffsprühdüse 100 sein, so dass kondensiertes Wasser, das von einer Brennstoffzelle abgeführt wird, in eine Einlassseite eines Luftkompressors 202 in Form von Sprühen/Spritzen durch einen Ansaugdruck der komprimierten Luft eingespritzt werden kann.
Wie in 2 dargestellt, kann die Zweistoffsprühdüse 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen äußeren Hohlkörper 104 mit einer ersten Düse 102, die an einem zentralen Teil einer Seite des äußeren Hohlkörpers 104 angeordnet ist, und einen inneren Hohlkörper 108 mit einer zweiten Düse 106, die in den zentralen Teil der ersten Düse 102 eingesetzt und an einem Ende des inneren Hohlkörpers gebildet ist, umfassen. Insbesondere können sich die erste Düse 102 und die zweite Düse 106 in einer konzentrischen Kreisanordnung mit dem gleichen Mittelpunkt auf der gleichen vertikalen Linie befinden.
Wie in 3 dargestellt, kann die Zweistoffsprühdüse 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen den äußeren Hohlkörper 104 mit der ersten Düse 102, die an dem zentralen Abschnitt an einer Seite desselben angeordnet ist; und den inneren Hohlkörper 108 mit der zweiten Düse 106, die in dem zentralen Abschnitt der erste Düse 102 beabstandet angeordnet ist und an einem Ende davon angeordnet ist. Die erste Düse 102 und die zweite Düse 106 können sich in einer Anordnung, auf der gleichen vertikalen Linie voneinander beabstandet befinden.
Der Luftkompressor 202 kann in nicht einschränkender Weise ein Luftgebläse zum Komprimieren und Zuführen von Außenluft an eine Kathode einer Brennstoffzelle 200 oder eines Brennstoffzellenstapels sein. Ein Auslass des Luftkompressors 202 kann mit der Kathode der Brennstoffzelle 200 verbunden sein und eine Einlassleitung des Luftkompressors 202 kann mit einem Filter/Durchflusssensor 204, der die Außenluft filtert und einen Außenluft-Durchsatz misst, versehen sein.
Insbesondere kann die Zweistoffsprühdüse 100 in einer Luftversorgungsleitung zwischen dem Einlass des Luftkompressors 202 und dem Filter/Durchflusssensor 204 angeordnet sein.
Indessen kann eine Bypass-Leitung 110 zum Umleiten eines Teils der komprimierten Luft von dem Auslass des Luftkompressors 202 zu dem Einlass der Zweistoffsprühdüse 100 den Auslass des Luftkompressors 202 und den Einlass der Zweistoffsprühdüse 100 verbinden, insbesondere kann in der Bypass-Leitung 110 ein Bypass-Ventil 112, das einen Öffnungs- und Schließwinkel zum Steuern einer Zufuhrmenge der komprimierten Luft steuern kann, angebracht sein.
Das während einer Reaktion der Brennstoffzelle erzeugte Kondenswasser kann von der Brennstoffzelle abgeführt werden und in einen Kondenswasserbehälter 120 gefüllt werden, und eine Kondenswasser-Abführleitung 122 zum Ansaugen von Kondenswasser in den Einlass der Zweistoffsprühdüse 100 kann einen Auslass des Kondenswasserbehälters 120 und den Einlass der Zweistoffsprühdüse 100 verbinden.
Insbesondere kann eine Bypass-Leitung 110, die mit dem Auslass des Luftkompressors 202 in Verbindung stehen kann, mit einem Raum zwischen einem äußeren Hohlkörper 104 und einem inneren Hohlkörper 108 der Zweistoffsprühdüse 100 verbunden sein. Mit anderen Worten können ein Druckluft-Strömungsraum 114 und eine Kondenswasser-Abführleitung 122, die mit dem Kondenswasserbehälter 120 in Verbindung stehen kann, mit einem Innenraum des inneren Hohlkörpers 108 der Zweistoffsprühdüse 100 oder mit einem Kondenswasser-Strömungsraum 124 verbunden sein.
Unterdessen können in dem Auslass des Luftkompressors 202 ein Feuchtigkeitssensor 206 zum Messen einer relativen Feuchte und ein Temperatursensor 208 zum Messen einer Temperatur der an die Kathode der Brennstoffzelle 200 zugeführten Luft nebeneinander/parallel angebracht sein.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Befeuchten einer Kathode einer Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage der Konfiguration/Anordnung nachstehend beschrieben.
Bei der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems, um elektrische Energie durch eine Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft in den Brennstoffzellenstapel zu erzeugen, wird zunächst ein Prozess zum Ansaugen und Komprimieren von Außenluft durch den Luftkompressor 202 und Zuführen der Außenluft an die Kathode der Brennstoffzelle 200 durchgeführt. In diesem Prozess kann ein Teil der von dem Auslass des Luftkompressors 202 an die Kathode der Brennstoffzelle 200 zugeführten Luft an die Zweistoffsprühdüse 100 entlang der Bypass-Leitung 110 zugeführt werden. Gleichzeitig kann Kondenswasser, das während der Reaktion der Brennstoffzelle erzeugt und in dem Kondenswasserbehälter 120 gesammelt wird, an die Zweistoffsprühdüse 100 zugeführt werden. Insbesondere kann das Kondenswasser in dem Kondenswasserbehälter 120 angesaugt und an die Zweistoffsprühdüse 100 zugeführt werden durch einen Strömungsdruck, der durch einen lokalen reduzierten Druck der komprimierten Luft (Druckluft), die von dem Auslass des Luftkompressors 202 umgeleitet und an die Zweistoffsprühdüse 100 zugeführt wird, gebildet wird.
Dementsprechend, wenn die komprimierte Luft von dem Auslass des Luftkompressors 202 umgeleitet und an die Zweistoffsprühdüse 100 zugeführt wird, kann die zugeführte Druckluft an der Einlassseite des Luftkompressors 202 durch die erste Düse 102 über den Druckluft-Strömungsraum 114, der ein Raum zwischen dem äußeren Hohlkörper 104 und dem inneren Hohlkörper 108 der Zweistoffsprühdüse 100 ist, eingedüst/eingeblasen werden.
Zur gleichen Zeit kann das von dem Kondenswasserbehälter 120 angesaugte Kondenswasser in den Einlass des Luftkompressors 202 durch die zweite Düse 102 über den Kondenswasser-Strömungsraum 124, welcher der Innenraum des inneren Hohlkörpers 108 der Zweistoffsprühdüse 100 ist, eingespritzt werden. Mit anderen Worten kann das durch die zweite Düse eingespritzte Kondenswasser in einer Sprühform durch einen Injektionsdruck der komprimierten Luft, die durch die erste Düse eingedüst/eingeblasen wird, eingespritzt werden.
Das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser kann durch einen Druck der umgeleiteten Druckluft angesaugt und gleichzeitig in den Einlass des Luftkompressors 202 eingespritzt werden, und somit kann die Außenluft, die den Filter/Durchflusssensor 204 durchströmt, durch den Luftkompressor 202 strömen, während sie durch das eingespritzte Kondenswasser befeuchtet wird, um an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt zu werden.
Wie oben beschrieben, kann eine Wärmeenergie von Luft absorbierende Kühlwirkung, die durch einen Luftkomprimierungsprozess erhöht wird, der durch den Luftkompressor durchgeführt wird, erzielt werden und an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführte Luft kann durch Einspritzen des von dem Brennstoffzellensystem abgeführten Kondenswassers in den Einlass des Luftkompressors 202 unter Verwendung des Drucks der umgeleiteten Druckluft und gleichzeitig durch Umleiten eines Teils der Druckluft von dem Auslass des Luftkompressors zum Zuführen von Außenluft an die Kathode der Brennstoffzelle 200 leicht befeuchtet werden.
Wenn ein separater Befeuchter ferner an der Einlassseite der Kathode angebracht wird, kann die relative Feuchte der an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft von dem Einlass des Luftkompressors im Voraus zunehmen und die Luft kann an den Befeuchter zugeführt werden, und als Folge kann eine Last für einen Befeuchtungsvorgang verringert werden und die Befeuchtungskapazität und die Größe des separat an der Einlassseite der Kathode angebrachten Befeuchters kann abnehmen.
Wenn unterdessen eine Auslasstemperatur T_o des Luftkompressors 202 eine vorgegebene Temperatur T_t erreicht, kann das in der Bypass-Leitung 110 angebrachte Bypass-Ventil 112 geöffnet werden und somit kann das eingespritzte Kondenswasser an den Einlass des Luftkompressors 202 zusammen mit der komprimierten Luft von dem Auslass des Luftkompressors 202 umgeleitet werden. Ferner, wenn die Auslasstemperatur T_o des Luftkompressors 202 gleich oder kleiner als die Solltemperatur T_t ist, kann eine Einspritzmenge des kondensierten Wassers durch Steuern eines Bypass-Ventils gesteuert werden.
Insbesondere kann die Einspritzmenge des Kondenswassers eine Bypass-Menge der Druckluft, die von dem Auslass des Luftkompressors an den Einlass umgeleitet werden kann, steuern, um die relative Feuchte an dem Auslass des Luftkompressors derart einzustellen, dass sie gleich oder kleiner als ungefähr 100% ist, und um eine relative Feuchte (relative humidity – RH) derart einzustellen, dass sie gleich oder kleiner als ungefähr 100% in einem Zustand ist, in dem die Auslasstemperatur T_o des Luftkompressors gleich oder größer als die Solltemperatur T_t ist und die relative Feuchte gleich oder größer als ungefähr 100% oder gesättigt sein kann, in Abhängigkeit von einem Typ des Kompressors. Zum Beispiel kann in dem Fall eines Volumenkompressors, wie beispielsweise ein Schraubenkompressor, Roots-Kompressor und dergleichen, die Kompressionseffizienz durch eine Dichtoperation von Wasser zunehmen, um eine Steuerung durchzuführen, um die RH derart einzustellen, dass sie gleich oder größer als ungefähr 100% ist, so dass das kondensierte Wasser erzeugt wird.
Als solches können, durch Bestimmen in Abhängigkeit von der Auslasstemperatur des Luftkompressors, ob das Kondenswasser eingespritzt wird, und gleichzeitig durch Wiederverwenden des von dem Brennstoffzellensystem für eine Luftbefeuchtung abgeführten Kondenswassers, Kosten durch Weglassen einer herkömmlichen Pumpe und dergleichen zum Zuführen eines zu pumpenden Wassers eingespart werden und ein Einfrier-Phänomen, ein Korrosions-Phänomen und dergleichen einer Wasserversorgungsleitung samt der Wasserpumpe und dergleichen können verhindert werden.
Alternativ kann in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser für eine Luftbefeuchtung durch Verwendung einer Wassereinspritzdüse zum Einspritzen nur von Wasser wiederverwendet werden. Wie in 4 dargestellt, kann eine Wassereinspritzdüse 210, die nur Wasser einspritzen kann, in der Luftversorgungsleitung, die mit dem Einlass des Luft an die Kathode der Brennstoffzelle zuführenden Luftkompressors 202 verbunden ist, angeordnet sein.
Insbesondere kann ein Mittel, das Wasser an die Wassereinspritzdüse 210 zuführt, den Kondenswasserbehälter 120, der vorübergehend das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser bevorratet, und eine Kondenswasser-Abführleitung 122, die dem Auslass des Kondenswasserbehälters 120 und der Wassereinspritzdüse 210 direkt zwischengeschaltet ist bzw. die den Auslass des Kondenswasserbehälters 120 mit der Wassereinspritzdüse 210 direkt verbindet, umfassen. In diesem Fall, verglichen mit einer hinteren End-(Auslass)Position des Luftkompressors 202, kann ein Abschnitt zwischen dem hinteren Ende des Luftkompressors 202 und dem Abgasdruck-Steuerventil 212 einen erhöhten Druck aufweisen. Obwohl die Zweistoffsprühdüse für Hochdruckluft und Wasser durch die nur Wasser einspritzende Wassereinspritzdüse 210 ersetzt wird, kann die Wassereinspritzung noch durchgeführt werden.
Als solches kann das Kondenswasser von dem Kondenswasserbehälter 120, in dem das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser bevorratet wird, an die Wassereinspritzdüse 210 durch die Kondenswasser-Abführleitung 122 zugeführt werden und kann dann in den Einlass des Luftkompressors 202 eingespritzt werden, so dass die Außenluft, die durch den Filter/Durchflusssensor 204 durch das eingespritzte Kondenswasser strömt, durch den Luftkompressor 202 strömen kann, während sie befeuchtet wird, und wird dann an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführt.
Als solches kann gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das von dem Brennstoffzellensystem abgeführte Kondenswasser direkt in den Einlass des Luftkompressors 202 durch Verwendung der Wassereinspritzdüse 210 eingespritzt werden, wodurch die an die Kathode der Brennstoffzelle zugeführte Luft einfach befeuchtet wird.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben worden. Jedoch versteht es sich für einen Durchschnittsfachmann, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Grundsätzen und der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei der Umfang derselben in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie sie weiter unten erläutert werden.
Bezugszeichenliste

100: Zweistoffsprühdüse
102: erste Düse
104: äußerer Hohlkörper
106: zweite Düse
108: innerer Hohlkörper
110: Bypass-Leitung
112: Bypass-Ventil
120: Kondenswasserbehälter
122: Kondenswasser-Abführleitung
114: Druckluft-Strömungsraum
124: Kondenswasser-Strömungsraum
200: Brennstoffzelle
202: Luftkompressor
204: Filter/Durchflusssensor
206: Feuchtigkeitssensor
208: Temperatursensor
210: Wassereinspritzdüse
212: Abgasdrucksteuerventil

Claims

Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, aufweisend: einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft an eine Kathode der Brennstoffzelle zuzuführen; und einen Injektor, der in einer mit einem Einlass des Luftkompressors verbundenen Luftversorgungsleitung angeordnet ist, um kondensiertes Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, in den Einlass des Luftkompressors unter Verwendung der umgeleiteten komprimierten Luft von einem Auslass des Luftkompressors einzuspritzen.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Bypass-Leitung, die den Auslass des Luftkompressors mit einem Einlass eines Injektors verbindet, ein Bypass-Ventil umfasst, das eingerichtet ist, um einen Öffnungs- und Schließwinkel einzustellen.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Injektor eine Zweistoffsprühdüse ist, umfassend: einen äußeren Hohlkörper mit einer ersten Düse, die an einem zentralen Teil einer Seite des äußeren Hohlkörpers angeordnet ist; und einen inneren Hohlkörper mit einer zweiten Düse, die in den zentralen Teil der ersten Düse eingesetzt ist und an einem Ende des inneren Hohlkörpers angeordnet ist.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Injektor eine Zweistoffsprühdüse ist, umfassend: einen äußeren Hohlkörper mit einer ersten Düse, die an einem zentralen Teil einer Seite des äußeren Hohlkörpers angeordnet ist; und einen inneren Hohlkörper mit einer zweiten Düse, die in den zentralen Teil der ersten Düse beabstandet eingesetzt ist und an einem Ende des inneren Hohlkörpers angeordnet ist.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei ein Raum zwischen dem äußeren Hohlkörper und dem inneren Hohlkörper des Injektors als ein Druckluft-Strömungsraum gebildet ist, der mit dem Auslass des Luftkompressors durch eine Bypass-Leitung in Verbindung stehend verbunden ist, und ein Innenraum des inneren Hohlkörpers als ein Kondenswasser-Strömungsraum, der durch eine mit einem Kondenswasserbehälter der Brennstoffzelle verbundene Kondenswasser-Abführleitung in Verbindung stehend verbunden ist, gebildet ist.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei ein Raum zwischen dem äußeren Hohlkörper und dem inneren Hohlkörper des Injektors als ein Druckluft-Strömungsraum gebildet ist, der mit dem Auslass des Luftkompressors durch eine Bypass-Leitung in Verbindung stehend verbunden ist, und ein Innenraum des inneren Hohlkörpers als ein Kondenswasser-Strömungsraum, der durch eine mit einem Kondenswasserbehälter der Brennstoffzelle verbundene Kondenswasser-Abführleitung in Verbindung stehend verbunden ist, gebildet ist.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Auslass des Luftkompressors einen Feuchtigkeitssensor zum Messen der relativen Feuchte neben einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur für die an die Kathode zugeführte Luft umfasst.
Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle, aufweisend: Ansaugen und Komprimieren von Außenluft durch einen Luftkompressor und Zuführen der komprimierten Außenluft an die Brennstoffzelle; Umleiten, unter Verwendung einer Bypass-Leitung, eines Teils der komprimierten Luft von einem Auslass des Luftkompressors an eine Einlassseite des Luftkompressors; Einspritzen, durch einen Injektor, von kondensiertem Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, in den Einlass des Luftkompressors gleichzeitig mit einem Ansaugen des kondensierten Wassers, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, unter Verwendung der komprimierten Luft, die an die Einlassseite des Luftkompressors umgeleitet wird; und Führen der Außenluft durch den Luftkompressor, während die Außenluft durch das eingespritzte Kondenswasser befeuchtet wird.
Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei, wenn eine Auslasstemperatur T_o des Luftkompressors eine vorgegebene Temperatur T_t oder mehr erreicht, das eingespritzte Kondenswasser an den Einlass des Luftkompressors zusammen mit der komprimierten Luft umgeleitet wird; und wenn T_o kleiner als T_t ist, die Einspritzung des Kondenswassers stoppt.
Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei eine Einspritzmenge des kondensierten Wassers eine Bypass-Menge der komprimierten Luft, die von dem Auslass des Luftkompressors zu dem Einlass umgeleitet wird, steuern, um eine relative Feuchte an einer Auslassseite des Luftkompressors derart einzustellen, dass sie gleich oder kleiner als ungefähr 100% ist.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, aufweisend: einen Luftkompressor, der eingerichtet ist, um Luft an eine Kathode der Brennstoffzelle zuzuführen; und einen Injektor, der in einer mit einem Einlass des Luftkompressors verbundenen Luftversorgungsleitung angeordnet ist, um kondensiertes Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, direkt in einen Einlass des Luftkompressors einzuspritzen.
Luftbefeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 11, wobei der Injektor eine Wassereinspritzdüse ist, die das kondensierte Wasser von einem Kondenswasserbehälter, in dem das von der Brennstoffzelle abgeführte Kondenswasser bevorratet wird, durch eine Kondenswasser-Abführleitung direkt einspritzt.
Luftbefeuchtungsverfahren für eine Brennstoffzelle, aufweisend: Ansaugen und Komprimieren von Außenluft durch einen Luftkompressor und Zuführen der komprimierten Außenluft an die Brennstoffzelle; direktes Einspritzen, durch einen Injektor, von kondensiertem Wasser, das von der Brennstoffzelle abgeführt wird, in einen Einlass des Luftkompressors unter Verwendung einer Wassereinspritzdüse; und Führen der Außenluft durch den Luftkompressor, während die Außenluft durch das eingespritzte Kondenswasser befeuchtet wird.
Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Brennstoffzellen-Luftbefeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1.
Fahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellen-Luftbefeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1.