DE10214078A1

DE10214078A1 - Befeuchtungsmodul

Info

Publication number: DE10214078A1
Application number: DE10214078A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Shimanuki; Toshikatsu Katagiri; Motohiro Suzuki; Yoshio Kusano
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: US6669177B2; DE10214078B4; US20020139320A1; JP3765531B2; CA2379429C; CA2379429A1; JP2002292233A

Abstract

In ein Befeuchtungsmodul, das ein wasserpermeables Hohlfasermembranbündel (1b) aufweist, ist etwa in dem Mittelteil ein unten geschlossener innerer Strömungskanal (2) eingesetzt, das für ein verbessertes Ansprechverhalten auf Leistungsanforderung und Ansprechverhalten beim Betriebsbeginn sorgt, und das das Auftreten von Restwasser auch dann verhindern kann, wenn das Dampf und Kondenswasser enthaltende Fluid zu dem inneren Strömungskanal (2) hin geleitet wird. DOLLAR A Zur Lösung dieser Probleme wird ein Befeuchtungsmodul (1) vorgeschlagen, umfassend: ein Hohlfasermembranbündel (1b) zur Durchführung eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen innerhalb und außerhalb davon strömenden Fluiden; einen inneren Strömungskanal (2; 3; 4), der in das Hohlfasermembranbündel (1b) etwa am Mittelteil in Bezug auf die Dickenrichtung des Hohlfasermembranbündels (1b) eingesetzt ist, sodass die gesamte Einsetzlänge davon kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels (1b), und der innere Strömungskanal (2; 3; 4) einen Einlass (2a; 3a; 4a) und einen Auslass (2b; 3b; 4b) für den Durchtritt des Fluids sowie einen nahe dem Auslass (2b) angeordneten Boden (bs; bs1; bs2) aufweist; und ein Vorsprungsteil (2c; 3d; 4d), das am Boden so angeordnet ist, dass es der Strömungsrichtung des in dem inneren Strömungskanal (2; 3; 4) strömenden Fluids entgegengesetzt sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befeuchtungsmodul, in dessen Gehäuse ein wasserdurchlässiges Hohlfasermembranmodul installiert ist, und insbesondere ein Befeuchtungsmodul, das einen inneren Strömungskanal für den Durchtritt von Fluid aufweist, wodurch das Befeuchtungsmodul bei Betriebsbeginn etc. auf Befeuchtung besser anspricht.

Der in der ungeprüften japanischen Patentschrift H07-71795 offenbarte Befeuchter ist einer von Beispielen solcher Befeuchter, die eine herkömmliche wasserdurchlässige Hohlfasermembrane verwenden. Wie in Fig. 9 gezeigt, besitzt ein solcher Befeuchter 100 ein zylinderförmiges Gehäuse 101, an dem ein Einlass 102 und ein Auslass 103 zum Zuführen bzw. Abführen der trockenen Luft vorgesehen sind. Ein Hohlfasermembranbündel 104, das z. B. aus 5000 Hohlfasermembranen besteht, ist in dem Gehäuse 101 angebracht.

An beiden Endspitzen des Gehäuses 101 sind Befestigungsteile 105 und 105' vorgesehen, die beide Endspitzen des Hohlfasermembranbündels 104 halten, ohne deren Hohlräume zu verschließen. Die Befestigungsteile 105 und 105' sind jeweils von Kopfdeckeln 108 und 109 abgedeckt. Ein Einlass 106 für die Zufuhr feuchter Luft ist in dem Kopfdeckel 108 ausgebildet. Ein Auslass 107 zur Abgabe der feuchten Luft, deren Feuchtigkeit abgetrennt und beseitigt ist, ist an dem Kopfdeckel 109 ausgebildet.

In dem Befeuchter 100 mit der wasserdurchlässigen Hohlfasermembrane tritt durch den Einlass 106 eingeführte feuchte Luft durch die Innenseite jeder Hohlfasermembrane des Hohlfasermembranbündels 104 hindurch. Hierbei wird die in der feuchten Luft enthaltene Feuchtigkeit durch das Kapillarkondensationsphänomen abgetrennt und bewegt sich dann zur Außenseite der Hohlfasermembrane durch die Kapillare der Hohlfasermembrane hindurch. Die feuchte Luft, von der die Feuchtigkeit abgetrennt ist, wird somit durch den Auslass 107 abgegeben.

Andererseits tritt durch den Einlass 102 eingeführte trockene Luft (wenig feuchtes Gas) durch die Außenseite jeder Hohlfasermembrane des Hohlfasermembranbündels 104 hindurch. Hierbei wird die trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet, die von der feuchten Luft abgetrennt ist, die durch die Innenseite der Hohlfasermembrane hindurchtritt, und bewegt sich der Außenseite der Hohlfasermembrane. Die trockene Luft wird somit, nachdem sie befeuchtet ist, durch den Auslass 103 abgegeben.

Ein in Fig. 10 gezeigter Befeuchter wird vom Anmelder der vorliegenden Erfindung Befeuchter vom "Innenrohrtyp" genannt. Dieser Befeuchter weist einen Hohlleiter (Auskleidungsrohr, Plombierung) 206 mit einer Barriere auf, der als innerer Strömungskanal dient, um die feuchte Luft in das Hohlfasermembranbündel 204 einzuführen. Der Hohlleiter 206 ist in das Hohlfasermembranbündel 104 am Mittelteil in dessen Dickenrichtung eingesetzt.

Das Hohlfasermembranbündel 104, das aus einer großen Anzahl von Hohlfasermembranen besteht, z. B. 6000 Hohlfasermembranen, ist in dem Gehäuse 201 installiert. An beiden Endspitzen des Gehäuses 201 sind Befestigungsteile 205 und 205' vorgesehen, die beide Endspitzen des Hohlfasermembranbündels 204 halten, ohne deren Hohlräume zu verschließen.

Jeweilige Kopfdeckel 208 und 209 sind an den Befestigungsteilen 205 und 205' vorgesehen. Ein Einlass 202 für die Zufuhr trockener Luft ist an dem Kopfdeckel 209 ausgebildet. Ein Auslass 203 für die Abfuhr der trockenen Luft ist an dem Kopfdeckel 208 ausgebildet.

Der Kopfdeckel 208 ist von einem Hohlleiter 206 durchsetzt, um die feuchte Luft in das Hohlfasermembranbündel 204 einzuführen, indem es die feuchte Luft durch die Durchgangslöcher 206out hindurchtreten lässt.

Der Hohlleiter 206 durchsetzt sowohl den Kopfdeckel 208 als auch das Befestigungsteil 205 von der Außenseite her, und die Endspitze davon reicht bis in das Hohlfasermembranbündel 204 hinein.

In diesem Fall ist die Gesamtlänge vom Einlass 206a zum Auslass 206out des Hohlleiter 206 so eingerichtet, dass sie kürzer sein kann als die Gesamtlänge der Längsrichtung in der Hohlfasermembrane.

An dem Gehäuse 201 ist ein Auslass 207 ausgebildet, um die feuchte Luft abzugeben, aus der die darin enthaltene Feuchtigkeit durch das Hohlfasermembranbündel 204 abgetrennt und beseitigt wurde. Der Auslass ist dem oben beschriebenen Kopfdeckel 209 benachbart angeordnet.

In dem Befeuchter 200, der die wasserdurchlässige Hohlfasermembrane verwendet, erreicht feuchte Luft das Durchgangsloch 206out, indem es durch die Innenseite des Hohlleiters 206 von dem Einlass 206a ausströmt und durch das Durchgangsloch 206 strömt. Dann strömt die feuchte Luft aus jeder Hohlfasermembrane des Hohlfasermembranbündels 204 aus.

Hierbei wird die in der feuchten Luft enthaltene Feuchtigkeit durch das Kapillarkondensationsphänomen abgetrennt, und dann strömt sie durch die Hohlfaser und bewegt sich zur Innenseite der Hohlfasermembrane. Die feuchte Luft, aus der Feuchtigkeit abgetrennt ist, wird durch den Auslass 207 abgegeben.

Andererseits wird trockene Luft (wenig feuchtes Gas) durch den Einlass 202 geführt und tritt durch die Innenseite jeder Hohlfasermembrane des Hohlfasermembranbündels 204 hindurch. Hierbei wird trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet, die aus der feuchten Luft abgetrennt wurde und zur Innenseite der Hohlfasermembrane bewegt wurde. Nach der Befeuchtung wird die trockene Luft durch den Auslass 203 abgegeben.

Wenn der Befeuchter mit der oben beschriebenen herkömmlichen Konstruktion, z. B. der Befeuchter 200 vom sogenannten "Innenrohrtyp", an einer Brennstoffzelle verwendet wird, um das Anodengas und das Kathodengas zu befeuchten, entstehen die folgenden Nachteile. Anders gesagt, es kommt zu den Nachteilen aufgrund der Formdifferenz einer Barriere bf am Bodenteil 206b des Hohlleiters 206 oder der Anordnung des Bodenteils 206b.

Das von einer Brennstoffzelle abgegebene Abgas (Auslassgas) enthält Dampf und Kondenswasser. Daher:

1. Wenn das am Bodenteil 206b des Hohlleiters 206 verbleibende Kondenswasser entsteht und bei niedriger Temperatur gefriert, kann es zu einem Bruch des Hohlleiters 206 kommen, weil die Spannung, die durch die Volumenausdehnung während des Gefrierens verursacht wird, auf den Hohlleiter der inneren Strömungspassagen einwirken könnte.
2. Wenn sich die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu stark ändert, wird die Zeit, die zum Erreichen der erforderlichen Befeuchtungsmenge erforderlich ist, lang, und zwar wegen des Restwassers am Bodenteil 206b oder der Zeitverzögerung zum Einführen des Dampfs in das Hohlfasermembranbündel 204. D. h. das betriebsmäßige Ansprechverhalten wird schlecht.
3. Wenn Wasser am Bodenteil 206b des Hohlleiters 206 verbleibt und während der Wartezeit der Brennstoffzelle, wie etwa der Nacht, abkühlt, wird die Befeuchtungsleistung beim Betriebsbeginn des Befeuchters 200 schlecht, weil das von der Brennstoffzelle abgegebene sehr feuchte Gas durch das kühle Restwasser abgekühlt wird. Somit wird das Ausgangsansprechverhalten oder das Ansprechverhalten bei Betriebsbeginn der Brennstoffzelle schlecht.

Die Erfindung erfolgte zur Lösung dieser Probleme, und ihr Ziel ist es, ein Befeuchtungsmodul mit einer wasserdurchlässigen Hohlfasermembrane anzugeben, wobei etwa in dessen Mittelteil ein unten geschlossener innerer Strömungskanal eingesetzt ist. Genauer gesagt, die Erfindung zielt darauf hin, ein Befeuchtungsmodul anzugeben, das ein verbessertes Ansprechverhalten für Leistungsausgabe und bei Betriebsbeginn zeigt und das Vorkommen von Restwasser auch dann verhindert, wenn Dampf und Kondenswasser enthaltendes Fluid in die inneren Strömungskanäle eingeführt wird.

Zur Lösung dieser Probleme wird ein Befeuchtungsmodul vorgeschlagen, umfassend: ein Hohlfasermembranbündel zur Durchführung eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen innerhalb und außerhalb davon strömenden Fluiden; einen inneren Strömungskanal, der in das Hohlfasermembranbündel etwa am Mittelteil in Bezug auf die Dickenrichtung des Hohlfasermembranbündels eingesetzt ist, sodass die gesamte Einsetzlänge davon kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels, und der innere Strömungskanal einen Einlass und einen Auslass für den Durchtritt des Fluids sowie einen nahe dem Auslass angeordneten Boden aufweist; und ein Vorsprungsteil, das am Boden so angeordnet ist, dass es der Strömungsrichtung des in dem inneren Strömungskanal strömenden Fluids entgegengesetzt sein kann.

Erfindungsgemäß lassen sich folgende Vorteile erzielen.

1. In dem inneren Strömungskanal wird der Wegquerschnitt des Fluids klein, wenn er sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) von der Endspitze des Vorsprungsteils her annähert. Somit würde die Strömungsrate des Fluids hoch, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) annähert.
2. In dem inneren Strömungskanal wird die Kollisionsfläche mit dem Fluid allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher unterliegt das Fluid einer Scherkraft entlang der Oberfläche des Vorsprungsteils, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert und wird zur Außenseite hin gedrückt. D. h. das Fluid wird mit größerer Sicherheit zur Außenseite gedrückt als in dem inneren Strömungskanal der herkömmlichen Konstruktion, worin das Bodenteil des inneren Strömungskanals eine ebene Form hat und das Fluid von dem gesamten Bodenteil (mit ebener Oberfläche) aufgenommen wurde.
3. In dem inneren Strömungskanal wird, infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren, das Fluid glattgängig durch den Auslass geleitet, auch wenn in dem Fluid Dampf und Kondenswasser enthalten sind, die darin leicht verbleiben können.

In dem erfindungsgemäßen Befeuchtungsmodul kann das Auftreten von Restfluid verhindert werden. Die Probleme, wie etwa der Bruch des inneren Strömungskanals durch Gefrieren von Restwasser und das Abkühlen des von der Brennstoffzelle abgegebenen heißen Gases durch das Restwasser, können somit verhindert werden. Daher erhält man ein Befeuchtungsmodul, das der Brennstoffzelle ein effizientes Ansprechverhalten im Hinblick auf Leistung und Betriebsbeginn gibt, auch wenn das Modul verwendet wird, um das der Brennstoffzelle zugeführte Gas zu befeuchten.

Bevorzugt ist der innere Strömungskanal zylinderförmig, und das Vorsprungsteil ist kreisförmig verjüngt bzw. kegelförmig.

Bevorzugt werden die gleichen kreisförmigen Elemente verwendet, d. h. die Form des inneren Strömungskanals ist eine kreisförmige Hohlzylinderform, und die Form des Vorsprungsteils ist ein kreisförmiger Kegel. Somit lässt sich das Befeuchtungsmodul besonders vorteilhaft bearbeiten. Da das Fluid über das gesamte Hohlfasermembranbündel mit ausreichender Fluidverteilung zur radialen Richtung hin zugeführt wird, kann die Nutzbarkeit der Hohlfasermembrane verbessert werden.

Bevorzugt bildet der Auslass Durchgangslöcher, die in die Umfangswand des inneren Strömungskanals nahe dem Boden gebohrt sind, und zumindest ein Durchgangsloch ist weiter stromabwärts als eine Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet.

Erfindungsgemäß ist die Strömungsrate zur orthogonalen Richtung des Fluids, oder anders gesagt, die Diffusionsrate in der radialen Richtung, verstärkt, und zwar wegen der Anordnung der Durchgangslöcher in der Nähe des Bodenteils des inneren Strömungskanals entlang dessen Umgang. Somit wird das Fluid über das gesamte Hohlfasermembranbündel mit ausreichender Fluidverteilung zur radialen Richtung hin zugeführt, und dann kann die Nutzbarkeit der Hohlfasermembrane verbessert werden.

Erfindungsgemäß ist zumindest ein Durchgangsloch weiter stromabwärts als die Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet.

a) Daher wird in dem inneren Strömungskanal der Wegquerschnitt des Fluids klein, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) von der Endspitze des Vorsprungsteils annähert. Somit wird die Strömungsrate des Fluids hoch, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) annähert.
b) In dem inneren Strömungskanal ist daher das Vorsprungsteil am Boden des inneren Strömungskanals derart vorgesehen, dass die Endspitze des Vorsprungsteils der Strömungsrichtung des darin strömenden Fluids entgegengesetzt sein kann. Somit wird die Kollisionsfläche mit dem Fluid allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher unterliegt das Fluid einer Scherkraft entlang der Oberfläche des Vorsprungsteils, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert, und wird zur Außenseite hin gedrückt. D. h. das Fluid wird mit größerer Sicherheit zur Außenseite gedrückt als in dem inneren Strömungskanal der herkömmlichen Konstruktion, worin der Boden des Hohlleiters eben geformt ist und das Fluid von dem gesamten Bodenteil (der ebenen Oberfläche) aufgenommen wurde.
c) In dem inneren Strömungskanal wird, infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren, wenn das Fluid zu dem inneren Strömungskanal geführt wird, das darin geführte Fluid glattgängig durch den Auslass geleitet, weil zumindest ein Auslass weiter stromabwärts als die Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet ist.

Wenn der Auslass weiter stromaufwärts als die Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet ist, erhält man keinen derart guten Wirkungsgrad, da die Fluidströmung durch das von dem Boden zurückgeworfene Fluid verwirbelt wird.

Wenn, wie oben beschrieben, das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas mittels des Befeuchters der ersten bevorzugten Ausführung befeuchtet wird, kann das Auftreten von Restwasser am Boden des Hohlleiters auch dann verhindert werden, wenn das Fluid, in dem Dampf und Kondenswasser enthalten sind, durch den inneren Strömungskanal fließt. Somit können die Probleme, wie etwa Bruch des Hohlleiters durch Gefrieren des Restwassers und Abkühlen des von der Brennstoffzelle abgegebenen sehr feuchten Gases durch das Restwasser, verhindert werden.

Ferner kann erfindungsgemäß das Gas, das dem Hohlfasermembranbündel zugeführt wird, innerhalb einer kurzen Dauer auf die gewünschte Temperatur eingestellt werden. Daher erhält man ein Befeuchtungsmodul des Befeuchtungssystems mit überragendem Ansprechverhalten bei Betriebsbeginn und überragendem Ausgabe-Ansprechverhalten.

Bei der Erfindung mit den oben beschriebenen Funktionen und Konstruktionen lassen sich die folgenden Vorteile erreichen.

1. Der Wegquerschnitt des Fluids wird kleiner, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) von der Endspitze des Vorsprungsteils her annähert. Somit wird die Strömungsrate des Fluids höher, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) annähert.
2. Das Vorsprungsteil ist so vorgesehen, dass die Kollisionsfläche mit dem Fluid allmählich größer wird, wenn sich dieses der stromabwärtigen Seite (Bodenseite) annähert. Daher erhält das Fluid eine Scherkraft entlang der Oberfläche des Vorsprungsteils, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Somit wird das Fluid zur Außenseite hin gedrückt (zur radialen Richtung des inneren Strömungskanals). D. h. das Fluid wird sicherer zur Außenseite gedrückt als bei dem inneren Strömungskanal der herkömmlichen Konstruktion, wo die Form des Bodens eine ebene Form ist und das Fluid von dem gesamten Boden (der gesamten ebenen Oberfläche) aufgenommen wurde.
3. Infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren wird das Fluid glattgängig durch den Auslass des inneren Strömungskanals geleitet. Somit kann das Auftreten von Restfluid am Boden verhindert werden, auch wenn das Fluid, das Dampf und Kondenswasser vermischt enthält, dem Befeuchtungsmodul zugeleitet wird.

Somit kann in dem erfindungsgemäßen Befeuchtungsmodul das Auftreten von Restfluid verhindert werden. Die Probleme, wie etwa Bruch des Hohlleiters durch Gefrieren des Restwassers und Abkühlen des von der Brennstoffzelle abgegebenen heißen Gases durch das Restwasser können somit verhindert werden. Daher gibt das Befeuchtungsmodul der Brennstoffzelle ein ausgezeichnetes Ausgabe-Ansprechverhalten und Start- Ansprechverhalten bei Betriebsbeginn, auch wenn es angewendet wird, um das der Brennstoffzelle zugeführte Gas zu befeuchten.

Da erfindungsgemäß ferner die gleichen kreisförmigen Elemente verwendet werden können, d. h. die Form des inneren Strömungskanals eine Zylinderform ist und die Form des Vorsprungsteils ein Kreiskegel ist, ist die Herstellbarkeit des Befeuchtungsmoduls hervorragend.

Da das Fluid über das gesamte Hohlfasermembranbündel mit ausreichender Fluidverteilung zur radialen Richtung hin zugeführt wird, kann der Nutzungsgrad der Hohlfasermembrane verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird die Strömungsrate in der orthogonalen Richtung des Fluids, d. h. die Diffusionsrate in der radialen Richtung, erhöht, und zwar wegen der Anordnung der Durchgangslöcher in der Nähe des Bodenteils des inneren Strömungskanals entlang dem Umfang. Somit wird das Fluid über das gesamte Hohlfasermembranbündel mit ausreichender Fluidverteilung zur radialen Richtung hin zugeführt, wodurch der Nutzungsgrad der Hohlfasermembrane verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß ist zumindest ein Durchgangsloch stromab der Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet.

a) In dem Hohlleiter wird daher der Wegquerschnitt des Fluids kleiner, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (der Bodenseite) von der Endspitze des Vorsprungsteils her annähert. Somit wird die Strömungsrate des sehr feuchten Gases höher, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (der Bodenseite) annähert.
b) Daher ist in dem Strömungskanal das Vorsprungsteil am Boden des inneren Strömungskanals so angeordnet, dass die Endspitze des Vorsprungsteils der Strömungsrichtung des Fluids entgegengesetzt sein kann. Somit wird die Kollisionsfläche mit dem feuchten Gas allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher erhält das Fluid eine Scherkraft entlang der Oberfläche des Vorsprungsteils, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert, und wird zur Außenseite hin gedrückt. D. h. das Fluid wird sicherer zur Außenseite gedrückt als bei der herkömmlichen Konstruktion des Hohlleiters, wo der Boden des Hohlleiters eine ebene Form hat und das Fluid von dem gesamten Bodenteil (der ebenen Fläche) aufgenommen wurde.
c) Infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren wird in dem Hohlleiter, wenn Fluid dem inneren Strömungskanal zugeführt wird, das darin geleitete Fluid glattgängig durch das Durchgangsloch hindurchgeführt, weil zumindest ein Durchgangsloch an der stromabwärtigen Seite der Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet ist.

Wenn das Durchgangsloch an der stromaufwärtigen Seite der Endspitze des Vorsprungsteils angeordnet ist, erhält man keinen solchen ausgezeichneten Wirkungsgrad, da der Fluiddurchtritt durch das vom Boden zurückgeworfene Fluid gestört wird.

Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1A ist eine Perspektivansicht des Befeuchtungsmoduls nach einer ersten bevorzugten Ausführung. Fig. 1B ist eine teilvergrößerte Ansicht des Teils I in Fig. 1A. Fig. 1C ist eine Schnittansicht entlang Linie A-A' in Fig. 1B,

Fig. 2A ist eine Schnittansicht in der Längsrichtung des Hohlleiters, in dem das Vorsprungsteil nach einer zweiten bevorzugten Ausführung angeordnet ist. Fig. 2B ist eine Schnittansicht entlang Linie B-B' in Fig. 2A,

Fig. 3A ist eine Schnittansicht in der Längsrichtung des Hohlleiters, in dem das Vorsprungsteil nach einer dritten bevorzugten Ausführung angeordnet ist. Fig. 3B ist eine Schnittansicht entlang Linie C-C' in Fig. 2A,

Fig. 4 ist ein Konstruktionsschema des gesamten Befeuchtungssystems einer Brennstoffzelle mit dem Befeuchtungsmodul nach der ersten bevorzugten Ausführung,

Fig. 5 ist ein Konstruktionsschema einer anderen Ausführung des Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle mit dem Befeuchtungsmodul nach der zweiten bevorzugten Ausführung,

Fig. 6 ist eine Graphik, die die zeitliche Änderung der Befeuchtungsmenge von Betriebsbeginn bis zum stabilen Betriebszustand zeigt,

Fig. 7A ist ein Diagramm der zeitlichen Änderung der Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach dem Betriebsbeginn des Befeuchtungsmoduls der herkömmlichen Technik erforderlich ist. Fig. 7B ist ein Diagramm der zeitlichen Änderung der Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach dem Betriebsbeginn des erfindungsgemäßen Befeuchtungsmoduls erforderlich ist,

Fig. 8 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Befeuchtungsmenge und der Temperatur des zum Hohlfasermembranbündel geführten Gases,

Fig. 9 ist eine Schnittansicht des Befeuchters mit dem herkömmlichen Befeuchtungsmodul,

Fig. 10 ist eine Schnittansicht des Befeuchters mit einem anderen herkömmlichen Befeuchtungsmodul,

Fig. 11 zeigt den Nachteil in einem herkömmlichen Befeuchtungsmodul einer weiteren Ausführung.

Fig. 1A ist eine Perspektivansicht des Befeuchtungsmoduls nach der ersten bevorzugten Ausführung. Fig. 1B ist eine teilvergrößerte Ansicht von Teil I in Fig. 1. Fig. 1C ist eine Schnittansicht entlang Linie A-A' in Fig. 1B.

Wie in den Fig. 1A bis 1C gezeigt, ist ein Befeuchtungsmodul nach der ersten bevorzugten Ausführung aus einem Gehäuse 1A und einem Hohlleiter 2 zusammengebaut. Ein Hohlfasermembranbündel 1b, das für einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem innerhalb und außerhalb der Hohlfasermembrane strömenden Fluids sorgt, ist in dem Gehäuse 1a so installiert, dass beide Endteile des Hohlfasermembranbündels 2b fixiert sind.

Der Hohlleiter 2 besitzt einen Einlass 2a zum Einführen des Fluids sowie Auslässe 2b, um das durch die Einlässe 2a eingeführte Fluid in das Hohlfasermembranbündel 1b zu leiten, oder anders gesagt, aus den Hohlfasermembranen hinaus. Der Hohlleiter 2 ist in das Hohlfasermembranbündel 1b derart eingesetzt, dass die gesamte Einsatzlänge des Hohlleiters 2 kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels 1b. Die Stelle, wo der Hohlleiter 2 eingesetzt ist, ist etwa der zentrale Abschnitt in Bezug auf die Dickenrichtung des Hohlleiters 2.

Die Form des Gehäuses 1a ist ein kreisförmiger Hohlzylinder, dessen beide Seiten offen sind und entlang dessen Umfang eine Mehrzahl kreisförmiger Durchgangslöcher Sout gebohrt sind. Die Position, an der die Mehrzahl kreisförmiger Durchgangslöcher Sout gebohrt sind, liegt weiter stromauf als das Befestigungsteil 1C', worin die Endteile der Hohlfasermembranen durch Harze verklebt sind, und liegt an der dem Einlass 2a des Hohlleiters 2 gegenüberliegenden Seite.

Der Hohlleiter 2 hat eine unten geschlossene Zylinderform und dient als innerer Strömungskanal. Anders gesagt, der Hohlleiter 2 ist ein kreisförmiges hohles Rohr, in dem ein Boden bs ausgebildet ist, und an dessen einem Endteil ein Einlass 2a zum Einführen des Fluids ausgebildet ist. Eine Mehrzahl kreisförmiger Durchgangslöcher Hout sind in der Nähe des Bodens bs entlang dem Umfang des Hohlleiters 2 gebohrt.

Der Hohlleiter 2 ist so angeordnet, dass die gesamte Einsatzlänge des Einlasses 2a, z. B. die Länge von dem Befestigungsteil 1c zum dem Auslass 2b des Hohlleiters 2, kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels.

Indem man den Hohlleiter 2 in der oben beschriebenen Weise anordnet, wird das durch den Einlass 2a eingeführte Fluid so weit wie möglich über die gesamte Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels 1b zugeführt.

Ein hier kreiskegelförmiges Vorsprungsteil 2c ist am Boden bs des Hohlleiters 2 vorgesehen, sodass die Endspitze des Vorsprungsteils 2c der Strömungsrichtung des durch den Einlass 2a zugeführten Fluids entgegengesetzt sein kann.

Die Stelle, wo die Mehrzahl von Durchgangslöchern Hout gebohrt sind, ist so eingerichtet, dass zumindest ein Durchgangsloch an der stromabwärtigen Seite der Endspitze des Vorsprungsteils 2c vorgesehen ist. Genauer gesagt, die Position X desjenigen Durchgangslochs, das sich an der am weitesten stromabwärtigen Seite von der Mehrzahl von Durchgangslöchern Hout befindet, muss in der Position zwischen der Endspitze des Vorsprungsteils 2c und dem Boden bs liegen. Diese Durchgangslöcher Hout sind in der Nähe des Bodens bs des Hohlleiters 2 entlang dem Umfang des Hohlleiters 2 herum vorgesehen.

Die Form des Durchgangslochs ist nicht auf den oben beschriebenen Fall beschränkt, solange das Fluid hindurchtreten kann. Beispielsweise ist auch eine polygonale Form oder eine ovale Form möglich. Für die Form des Durchgangslochs ebenfalls möglich ist ein Langloch, das entlang der Umfangsrichtung länger ist.

Wenn sehr feuchtes Gas, das das Dampf und Kondenswasser enthaltende Fluid ist, durch den Einlass 2a des Hohlleiters 2 in das Befeuchtungsmodul 1 eingeführt wird, lassen sich die folgenden Funktionen und Vorteile erzielen.

1. In dem Hohlleiter 2 wird der Wegquerschnitt des sehr feuchten Gases klein, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs) von der Endspitze des Vorsprungsteils 2c her annähert, das hier eine Kreiskegelform hat. Somit wird die Strömungsrate des sehr feuchten Gases hoch, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs) annähert.
2. Da in der vorliegenden Ausführung das Vorsprungsteil 2c mit der Kreiskegelform vorgesehen ist, wird die Kollisionsfläche mit dem feuchten Gas allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher erhält das sehr feuchte Gas, das durch den Hohlleiter 2 strömt, eine Scherkraft entlang der Oberfläche des Kreiskegels, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert, und wird somit zur Außenseite hin gedrückt (zur radialen Richtung der Hohlfasermembrane hin). D. h. das sehr feuchte Gas wird mit größerer Sicherheit zur Außenseite gedrückt als bei der herkömmlichen Konstruktion des Hohlleiters, bei der der Boden des Hohlleiters eine ebene Form hat und das Fluid von dem gesamten Bodenteil (der ebenen Oberfläche) aufgenommen wurde.
3. Infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren bewegt sich sehr feuchtes Gas, das durch den Einlass 2a zugeführt wurde, entlang der Oberfläche des Kreiskegels, und tritt dann glattgängig durch die Mehrzahl von Durchgangslöchern Hout, die sich am Auslass 2b befinden. Daher kann das Auftreten von Restfluid am Auslass 2b auch dann verhindert werden, wenn das Fluid, das Dampf und Kondenswasser im vermischten Zustand enthält, zum Befeuchtungsmodul 1 geleitet wird.

Das Vorkommen des Restfluids kann verhindert werden. Somit können die Probleme, wie etwa der Bruch des Hohlleiters durch Gefrieren des Restfluids und die Beeinträchtigung der Startreaktion einer Brennstoffzelle durch Temperaturabfall und Gefrieren des Restfluids verhindert werden. Auch kann die Verzögerung der Übergangsreaktion verhindert werden.

Da ferner die gleichen kreisförmigen Elemente verwendet werden, d. h. die Form des inneren Strömungskanals eine kreisförmige Hohlzylinderform ist und die Form des Vorsprungsteils ein Kreiskegel ist, ist das Befeuchtungsmodul mit hoher Effizienz montierbar.

Da das Fluid über das gesamte Hohlfasermembranbündel 1b mit ausreichender Fluidverteilung in der radialen Richtung hin zugeführt wird, kann ferner der Nutzungsgrad der Hohlfasermembrane verbessert werden.

1. Hier strömt sehr feuchtes Gas, das zu dem Hohlfasermembranbündel 1b durch eine Mehrzahl von Durchgangslöchern Hout des Auslasses 2b zugeführt wird, zur Außenseite der Hohlfasermembranen, die in dem Gehäuse 1a installiert sind. Hierbei wird somit das wenig feuchte Gas, das durch die Innenseite jeder Hohlfasermembrane des Hohlfasermembranbündels 1b strömt, befeuchtet, und dann wird das sehr feuchte Gas, nachdem es Feuchtigkeit an das wenig feuchte Gas abgegeben hat, durch die Durchgangslöcher Sout ausgegeben, die entlang dem Umfang des Gehäuses 1a vorgesehen sind.
2. Andererseits wird wenig feuchtes Gas durch die Öffnung 1din des Gehäues 1a eingeführt, sodass es im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des sehr feuchten Gases fließen muss, das durch die Außenseite der Hohlfasermembrane hindurchfließt. Wenig feuchtes Gas wird während des Durchtritts durch die Innenseite jeder der Hohlfasermembranen des Hohlfasermembranbündels 1b befeuchtet, das in dem Gehäuse 1a installiert ist, und wird dann durch die Öffnung 1dout des Gehäuses 1a abgegeben.

Nun wird eine andere Ausführung des Vorsprungsteils, das am Boden des Hohlleiters in dem Befeuchtungsmodul angeordnet ist, anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben. Im Folgenden ist, außer die Form des Vorsprungsteils oder die Querschnittsform des Hohlleiters, der Aufbau des Befeuchters der gleiche wie oben beschrieben. Daher wird nur die Konstruktion und die Funktion des prinzipiellen Teils beschrieben.

Es wird nun das Vorsprungsteil der zweiten Ausführung beschrieben, das am Boden des Strömungskanals angeordnet ist, durch den das Fluid dem Befeuchter zugeführt wird.

Fig. 2A ist eine Querschnittsansicht in der Längsrichtung des Hohlleiters, in dem das Vorsprungsteil angeordnet ist. Fig. 2B ist eine Draufsicht auf das Vorsprungsteil, gesehen von der Einlassrichtung des Hohlleiters her, genauer gesagt, die Schnittansicht entlang Linie B-B' in Fig. 2A.

Das Vorsprungsteil 3d des Befeuchters nach der zweiten Ausführung ist, wie in Fig. 2 gezeigt, am Boden bs1 des Hohlleiters 3 angeordnet, der im Querschnitt eine rechteckige bzw. quadratische Form hat. Das Vorsprungsteil 3d ist gebildet durch Aufeinanderstapeln quadratischer Platten, sodass die Größe der Quadratfläche bzw. des Quadratpols allmählich kleiner wird, wenn sie sich der stromaufwärtigen Seite annähert. Man erhält eine sogenannte Pyramidenform oder Stufenpyramidenform. In der vorliegenden Ausführung wird der Wegquerschnitt kleiner, wenn er sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs1) des Hohlleiters 3 annähert.

Da dieses Vorsprungsteil 3d durch Aufeinanderstapeln der quadratischen Platten gebildet ist, kann das Vorsprungsteil mit einer geeigneten Größe in Abhängigkeit von der Querschnittskonfiguration des Hohlleiters 3 leicht hergestellt werden.

Die Ausbildung des Vorsprungsteils 3d ist nicht hierauf beschränkt, sondern es kann z. B. auch eine spanende Bearbeitungstechnik anwendbar sein, um das Vorsprungsteil 3d aus einem einzigen Quadratstück bzw. Pol herzustellen.

Wenn sehr feuchtes Gas als dem Fluid, in dem Dampf und Kondenswasser enthalten ist, dem Befeuchtungsmodul 1 durch den Einlass 3a des Hohlleiters 3 zugeführt wird, lassen sich die folgenden Funktionen und Vorteile erzielen.

1. In dem Hohlleiter 3 wird der Wegquerschnitt des sehr feuchten Gases klein, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs1) von der Endspitze des Vorsprungsteils 3d annähert, das eine quadratische Stufenform aufweist. Somit wird die Strömungsrate des sehr feuchten Gases hoch, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs1) annähert.
2. Da hier das Vorsprungsteil 3d mit der quadratischen Stufenform vorgesehen ist, wird die Kollisionsfläche mit dem feuchten Gas allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher erhält das sehr feuchte Gas, das durch den Hohlleiter 3 hindurchtritt, eine Scherkraft entlang der Oberfläche des Quadratstufenweges, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert, und wird somit zur Außenseite hin gedrückt (zur radialen Richtung der Hohlfasermembrane hin). D. h. sehr feuchtes Gas wird sicherer zur Außenseite gedrückt als bei der herkömmlichen Konstruktion des Hohlleiters, wo der Boden des Hohlleiters eine ebene Form hat und das Fluid von dem gesamten Bodenteil (der ebenen Oberfläche) aufgenommen wurde.
3. Infolge des Multipliziereffektes dieser Faktoren bewegt sich sehr feuchtes Gas, das durch den Einlass 3a eingeführt wurde, entlang der Oberfläche des Vorsprungsteils 3d und tritt dann glattgängig durch eine Mehrzahl von Durchgangslöchern Hout aus, die sich am Auslass 3b befinden. Daher kann das Auftreten von Restfluid an dem Auslass 3b verhindert werden, auch wenn das Fluid, das sehr feuchte Gas, das Dampf und Kondenswasser vermischt enthält, zu dem Befeuchtungsmodul der zweiten bevorzugten Ausführung geleitet wird.

Da das Auftreten des Restfluids verhindert werden kann, können auch die Probleme verhindert werden, wie etwa Bruch des Hohlleiters durch gefrorenes Restfluid und die Beeinträchtigung der Startreaktion der Brennstoffzelle durch Temperaturabfall und Gefrieren des Restfluids. Auch kann die Verzögerung der Übergangsreaktion verhindert werden.

Nun wird das Vorsprungsteil der dritten Ausführung beschrieben, das am Boden des Hohlleiters angeordnet ist, durch den das Fluid dem Befeuchter zugeführt wird.

Fig. 3A ist eine Schnittansicht in der Längsrichtung des Hohlleiters, in dem das Vorsprungsteil angeordnet ist. Fig. 3B ist eine Draufsicht des Vorsprungsteils, gesehen von der Einlassrichtung des Hohlleiters her, genauer gesagt, die Querschnittsansicht entlang Linie C-C' in Fig. 3A.

Das Vorsprungsteil 4d der dritten bevorzugten Ausführung, wie in Fig. 3 gezeigt, ist am Boden bs1 des Hohlleiters 4 angeordnet. Das Vorsprungsteil 4d ist gebildet, indem kreisförmige Platten aufeinander gestapelt sind, sodass die Größe der Kreisplatte bzw. des Kreispols allmählich kleiner wird, wenn sie sich der stromaufwärtigen Seite annähert. Man erhält somit eine Pyramidenform. In der vorliegenden Ausführung wird der Wegquerschnitt klein, wenn er sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs1) des Hohlleiters 4 annähert.

Da dieses Vorsprungsteil 4d durch Aufeinanderstapeln der kreisförmigen Platten gebildet ist, kann das Vorsprungsteil mit der geeigneten Größe in Abhängigkeit von der Querschnittskonfiguration des Hohlleiters 4 leicht hergestellt werden.

Die Formung des Vorsprungsteils 4d ist nicht hierauf beschränkt, und es kann auch eine spanende Bearbeitungstechnik angewendet werden, um das Vorsprungsteil 4d aus einem einzigen kreisförmigen Stück herzustellen.

Wenn das sehr feuchte Gas als das Fluid, in dem Dampf und Kondenswasser enthalten sind, dem Befeuchtungsmodul durch den Einlass 4a des Hohlleiters 4 zugeführt wird, lassen sich die folgenden Funktionen und Vorteile erzielen.

1. In dem Hohlleiter 4 wird der Wegquerschnitt des sehr feuchten Gases kleiner, wenn er sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs2) von der Endspitze des Vorsprungsteils 4d mit der Kreisstufenform annähert. Somit wird die Strömungsrate des sehr feuchten Gases hoch, wenn es sich der stromabwärtigen Seite (dem Boden bs2) annähert.
2. Da hier das Vorsprungsteil 4d mit der kreisförmigen Stufenform vorgesehen ist, wird die Kollisionsfläche mit dem feuchten Gas allmählich größer, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert. Daher erhält sehr feuchtes Gas, das durch den Hohlleiter 4 hindurchtritt, eine Scherkraft entlang der Oberfläche der Kreisstufenanordnung, wenn es sich der stromabwärtigen Seite annähert und wird somit zur Außenseite gedrückt (zur radialen Richtung der Hohlfasermembran hin). D. h. sehr feuchtes Gas wird sicherer zur Außenseite gedrückt als bei der herkömmlichen Konstruktion des Hohlleiters, bei der der Boden des Hohlleiters eine ebene Form ist und das Fluid von dem gesamten Bodenteil aufgenommen wurde (der ebenen Oberfläche).
3. Infolge des Multipliziereffekts dieser Faktoren bewegt sich sehr feuchtes Gas, das durch den Einlass 4a eingeführt wurde, entlang der Oberfläche der Kreisstufenanordnung und tritt dann glattgängig durch eine Mehrzahl der Durchgangslöcher Tout, die sich am Auslass 4b befinden. Daher kann das Auftreten von Restfluid am Auslass 4b verhindert werden, auch wenn das Fluid, das Dampf und Kondenswasser vermischt enthält, zu dem Befeuchtungsmodul der dritten bevorzugten Ausführung geleitet wird.

Da das Auftreten des Restfluids verhindert werden kann, können die Probleme verhindert, wie etwa der Bruch des Hohlleiters durch gefrorenes Restfluid und die Beeinträchtigung der Startreaktion der Brennstoffzelle durch den Temperaturabfall und das gefrorene Restfluid. Auch kann die Verzögerung der Übergangsreaktion verhindert werden.

Es wird nun eine bevorzugte Ausführung des Befeuchtungssystems, in dem das Befeuchtungsmodul mit der oben beschriebenen Konstruktion und Funktion der ersten bevorzugten Ausführung als Befeuchter angewendet wird, in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es wird nun die Konstruktion des gesamten Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle nach der ersten bevorzugten Ausführung anhand von Fig. 4 beschrieben.

Wie in Fig. 4 gezeigt, besteht ein Befeuchtungssystem der Brennstoffzelle nach der ersten bevorzugten Ausführung aus einer Brennstoffzelle 10, einem Befeuchter 11', 12' und einem Auflader (S/C) 14. Die Brennstoffzelle 10 erzeugt elektrischen Strom durch die Reaktion von Wasserstoff, der in Brenngas enthalten ist und der Anode zugeführt wird, mit Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist und der Kathode zugeführt wird.

Der Befeuchter 11', 12' befeuchtet die Gase, bevor sie der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden, durch Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Gasen, bevor sie der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden, und dem Abgas, das von der Kathodenseite der Brennstoffzelle abgeführt wird.

Der Auflader (S/C) 14 führt die Luft, die ein Oxidationsmittelgas ist, der Kathode der Brennstoffzelle 10 zu. Hier übernimmt die Brennstoffzelle 10 die Rolle des Befeuchtungssystems.

Die Brennstoffzelle 10 ist eine Brennstoffzelle in Festpolymer- oder Festmakromolekül-Bauart und erzeugt den elektrischen Strom durch die Reaktion des Wasserstoffs, der in dem Brenngas enthalten ist, mit dem Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist.

Die Reaktion vollzieht sich gemäß folgender Formel.

H₂ → 2 H⁺ + 2 e^- (1)

2 H⁺ + (1/2) O₂ + 2 e^- → H₂O (2)

H₂ + (1/2) O₂ + → H₂O (3)

Hier zeigt die Formel (1) die Reaktion in der Anode. Die Formel (2) zeigt die Reaktion in der Kathode. Die Formel (3) zeigt die Reaktion in einer gesamten Brennstoffzelle.

Als Ergebnis der Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht an der Kathode Wasser. Das an der Kathode erzeugte Wasser verdampft normalerweise und wird dann zusammen mit der bei der Reaktion nicht verwendeten Luft aus der Brennstoffzelle 10 abgegeben.

Ferner wird in der Brennstoffzelle 10 der Fest-Makromolekül- Membranbauart die Fest-Makromolekül-Membrane als Elektrolytschicht verwendet. Diese Brennstoffzelle 10 hat eine Struktur, die durch Aufeinanderstapeln einer Mehrzahl einzelner Zellen aufgebaut ist, die aus einem Paar von Gasdiffusions-Elektroden zusammengesetzt sind, und einem Separator zum Separieren des Brenngases und der Luft. In dieser einzelnen Zelle ist die Fest-Makromolekül-Membrane zwischen dem Paar von Gasdiffusions-Elektroden aufgenommen, die auch von dem Separator von der Außenseite her überdeckt ist.

Der Befeuchter 11' und 12' weist das Befeuchtungsmodul 1 auf, bei dem der unten geschlossene Hohlleiter 2 als Innenkanal vorgesehen ist. Das Vorsprungsteil 2c ist am Boden bs des Hohlleiters 2 angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt.

Die Hohlfasermembrane, die in dem Befeuchter 11' verwendet wird, ist eine nicht-poröse Ionenhydrier-Folie (z. B. Produktname: NAFION Folie), die nur Wasser durchdringt. Andererseits ist die im Befeuchter 12' verwendete Hohlfasermembrane eine herkömmliche Kapillarkondensationsmembrane, und sie ist eine poröse Folie, die auch andere Gasmoleküle als Wasser durchdringen.

Da in dem Befeuchter 11', der das feuchte Brenngas der Anode der Brennstoffzelle 10 zuführt, die nicht-poröse Folie verwendet wird, bewegt sich nur die Feuchtigkeit von der Kathodenseite zur Anodenseite, ohne die Gase hindurchzulassen, während der Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Brenngas (das Wasserstoff enthält) und dem von der Kathode abgegebenen Abgas (das Sauerstoff enthält) durchführt. Somit kann eine Vermischung des Wasserstoffgases mit dem Sauerstoffgas verhindert werden.

Hier wird ein Ejektor 13 als Vakuumpumpe verwendet, um das der Anode zugeführte Brenngas zu zirkulieren, und er ist hauptsächlich aufgebaut aus einer Düse, einem Diffusor, einem Saugraum etc. Dieser Ejektor 13 hat eine einfache Struktur und hat ausgezeichnete Betriebs- und Wartungseigenschaften. Da hier keine beweglichen Teile vorhanden sind, wie etwa ein drehbarer oder verschiebbarer Teil, ist auch die Haltbarkeit hervorragend. Ein weiteres Merkmal ist, dass geeignete korrosionsbeständige Materialien, in Abhängigkeit vom Typ des aufgenommenen Gases, gewählt werden können.

Der Auflader (S/C) 14, der ein mechanischer Auflader ist, nimmt die Luft mit Atmosphärendruck auf und komprimiert sie und führt sie dann der Kathode der Brennstoffzelle 10 zu. Anstatt des Aufladers (S/C) 14 kann auch ein Lysholm-Kompressor verwendet werden.

Nun wird die Funktion des Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle der ersten bevorzugten Ausführung beschrieben. Das dem Ejektor 13 zugeführte Brenngas, das ein wenig feuchtes Gas ist, wird dem Befeuchter 11' nach Kompression durch den Ejektor 13 zugeführt.

Das dem Befeuchter 11' zugeführte Brenngas (wenig feuchte Gas) wird durch den Feuchtigkeitsaustausch mit dem Abgas (sehr feuchten Gas) befeuchtet, das von der Kathode der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, während es durch die Innenseite des Befeuchtungsmoduls hindurchgeleitet wird, das in dem Befeuchter 11' enthalten ist, und wird dann der Anode zugeführt.

Der Wasserstoff, der in dem der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Brenngas enthalten ist, reagiert mit dem Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die der Brennstoffzelle 10 von dem Auflader (S/C) 14 zugeführt wird, und somit erhält man elektrischen Strom. Das bei der Reaktion nicht verwendete Brenngas wird einem nachgeschalteten Prozess (z. B. einem katalytischen Verbrenner) als Abgas zugeführt. Ein Teil des Abgases wird von dem Ejektor 13 aufgenommen und wird dann der Brennstoffzelle 10 zur Wiederverwendung als Brenngas rückgeführt.

Andererseits wird in dem Auflader (S/C) 14 die Luft in der Atmosphäre aufgenommen und dann dem Befeuchter 12' als wenig feuchtes Gas zugeführt.

Die dem Befeuchter 12' zugeführte Luft (wenig feuchtes Gas) wird durch den Feuchtigkeitsaustausch mit dem vom Befeuchter 11' abgegebenen Abgas (sehr feuchten Gas) befeuchtet, während sie durch das Befeuchtungsmodul hindurchtritt, und wird dann der Kathode zugeführt.

Die Luft, die der Kathode in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird und bei der Reaktion mit dem in dem Brenngas enthaltenen Wasserstoff nicht verwendet wird, wird dem Befeuchter 11' als Abgas zugeführt. Das dem Befeuchter 11' zugeführte Abgas befeuchtet das von dem Ejektor 13 zugeführte Brenngas durch den Feuchtigkeitsaustausch und wird dann von dem Befeuchter 11' abgegeben.

Das von dem Befeuchter 11' abgegebene Abgas wird dem Befeuchter 12' zugeführt und befeuchtet die von dem Auflader (S/C) 14 zugeführte Luft durch den Feuchtigkeitsaustausch. Das Abgas wird nach dem Feuchtigkeitsaustausch von dem Befeuchter 12' abgegeben und dem nachgeschalteten Prozess zugeführt, z. B. einem katalytischen Brenner.

Eine zweite bevorzugte Ausführung des Befeuchtungssystems, in dem das Befeuchtungsmodul der ersten bevorzugten Ausführung als der Befeuchter der Brennstoffzelle verwendet wird, wird in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Erläuterung werden gleiche Komponenten und der Hohlleiter gemäß der ersten bevorzugten Ausführung mit den gleichen Bezugssymbolen wie bei der Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführung bezeichnet.

Wie in Fig. 5 gezeigt, liegt der konstruktive Unterschied des Befeuchtungssystems zwischen der ersten und zweiten bevorzugten Ausführung in der Anordnung der Befeuchter 11 und 12. Der Befeuchter 11 sorgt für den Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem der Anode zugeführten Brenngas und dem von der Anode abgegebenen Abgas. Der Befeuchter 12 sorgt für den Feuchtigkeitsaustausch zwischen der der Kathode zugeführten Luft und dem von der Kathode abgegebenen Abgas.

In dem Befeuchtungssystem nach der zweiten bevorzugten Ausführung wird in den Befeuchtern 11 und 12 hier jeweils die poröse Membrane als Hohlfasermembrane verwendet.

Die Konstruktion der anderen Komponenten außer den oben beschriebenen ist die gleiche wie in der ersten bevorzugten Ausführung, und daher wird deren Erläuterung hier weggelassen.

Nun wird die Funktion des Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle nach der zweiten bevorzugten Ausführung anhand von Fig. 5 beschrieben.

Das dem Ejektor 13 zugeführte Brenngas, das ein wenig feuchtes Gas ist, wird dem Befeuchter 11 von dem Ejektor 13 zugeführt. Das dem Befeuchter 11 zugeführte Brenngas (wenig feuchte Gas) wird durch den Feuchtigkeitsaustausch mit dem Abgas (sehr feuchten Gas) befeuchtet, das von der Anode der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, während es durch das Befeuchtungsmodul hindurchtritt, das in dem Befeuchter 11 enthalten ist.

Der in dem Brenngas enthaltene Wasserstoff wird der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt und reagiert mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, der der Kathode der Brennstoffzelle 10 von dem Auflader (S/C) 14 zugeführt wird, und somit erhält man elektrischen Strom. Das bei der Reaktion nicht verwendete Brenngas wird wieder dem Befeuchter 11 als Abgas (Auslassgas) zugeführt.

Das zum Befeuchter 11 geleitete Abgas befeuchtet das Brenngas, das dem Befeuchter 11 von dem Ejektor 13 zugeführt wird, durch Feuchtigkeitsaustausch, und wird dann dem nachgeschalteten Prozess zugeführt, wie z. B. einem katalytischen Brenner. Ein Teil des vom Befeuchter 11 abgegebenen Abgases wird von dem Ejektor 13 aufgenommen und dann zur Anode der Brennstoffzelle 10 als Brenngas rückgeführt.

Andererseits wird in dem Auflader (S/C) 14 die Luft in der Atmosphäre aufgenommen und dann zu dem Befeuchter 12 als wenig feuchtes Gas zugeleitet.

Die zu dem Befeuchter 12 geleitete Luft (wenig feuchtes Gas) wird durch den Feuchtigkeitsaustausch mit dem Abgas (sehr feuchten Gas) befeuchtet, das von der Kathode der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, während es durch das Befeuchtungsmodul hindurchtritt, und wird dann der Kathode zugeführt.

Die Luft, die bei der Reaktion mit dem im Brenngas enthaltenen Wasserstoff nicht benutzt wird, wird von der Brennstoffzelle 10 abgegeben und dem Befeuchter 12 als Abgas zugeführt. Das dem Befeuchter 12 zugeführte Abgas befeuchtet das von dem Auflader 14 zugeführte Brenngas durch Feuchtigkeitsaustausch, und wird dann dem nachgeschalteten Prozess zugeführt, z. B. einem katalytischen Brenner.

Das Betriebsergebnis des Befeuchtungssystems der Brennstoffzelle nach der ersten bevorzugten Ausführung wird anhand der Fig. 6 bis 8 erläutert. Fig. 6 ist eine Ansicht, die die zeitliche Änderung der Befeuchtungsmenge vom Betriebsbeginn zum stabilen Betriebszustand hin zeigt. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist die Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach Erhalt der konstanten Befeuchtungsmenge erforderlich ist, kürzer als beim Befeuchtungssystem der herkömmlichen Brennstoffzelle.

Fig. 7 ist eine Vergleichsansicht der Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach dem Betriebsbeginn des Befeuchtungsmoduls erforderlich ist, zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik. Fig. 7A zeigt die zeitliche Änderung der Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach dem Betriebsbeginn des Befeuchtungsmoduls der herkömmlichen Technik erforderlich ist. Fig. 7B zeigt die zeitliche Änderung der Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach dem Betriebsbeginn des Befeuchtungsmoduls der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.

Wie aus den Fig. 7A und 7B ersichtlich, ist in dem erfindungsgemäßen Befeuchtungsmodul die Gesamtzeit, die zum Erreichen des stabilen Betriebszustands nach Betriebsbeginn erforderlich ist, kürzer als beim Stand der Technik. D. h. das Befeuchtungsmodul der Erfindung hat ein überragendes Ansprechverhalten.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Befeuchtungsmenge und der Temperatur des dem Hohlfasermembranbündel zugeführten Gases. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, wird die gesamte Befeuchtungsmenge höher, wenn die Temperatur des dem Hohlfasermembranbündel zugeführten Gases höher ist.

In ein Befeuchtungsmodul, das ein wasserpermeables Hohlfasermembranbündel aufweist, ist etwa in dem Mittelteil ein unten geschlossener innerer Strömungskanal eingesetzt, das für ein verbessertes Ansprechverhalten auf Leistungsanforderung und Ansprechverhalten beim Betriebsbeginn sorgt, und das das Auftreten von Restwasser auch dann verhindern kann, wenn das Dampf und Kondenswasser enthaltende Fluid zu dem inneren Strömungskanal hin geleitet wird.

Claims

1. Befeuchtungsmodul, umfassend:
ein Hohlfasermembranbündel (1b) zur Durchführung eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen innerhalb und außerhalb davon strömenden Fluiden;
einen inneren Strömungskanal (2; 3; 4), der in das Hohlfasermembranbündel (1b) etwa am Mittelteil in Bezug auf die Dickenrichtung des Hohlfasermembranbündels (1b) eingesetzt ist, sodass die gesamte Einsetzlänge davon kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels (1b), und der innere Strömungskanal (2; 3; 4) einen Einlass (2a; 3a; 4a) und einen Auslass (2b; 3b; 4b) für den Durchtritt des Fluids sowie einen nahe dem Auslass (2b) angeordneten Boden (bs; bs1; bs2) aufweist; und
ein Vorsprungsteil (2c; 3d; 4d), das am Boden so angeordnet ist, dass es der Strömungsrichtung des in dem inneren Strömungskanal (2; 3; 4) strömenden Fluids entgegengesetzt sein kann.

2. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Strömungskanal (2) zylinderförmig ist und das Vorsprungsteil (2c) kreisförmig verjüngt bzw. kegelförmig ist.

3. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (2b; 3d; 4d) Durchgangslöcher (Hout) aufweist, die in die Umfangswand des inneren Strömungskanals (2; 3; 4) nahe dem Boden (bs; bs1; bs2) gebohrt sind und zumindest ein Durchgangsloch (Hout) weiter stromab als eine Endspitze des Vorsprungsteils (2c; 3d; 4d) angeordnet ist.

4. Befeuchtungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsteil (4d) durch Aufeinanderstapeln kreisförmiger Platten gebildet ist, sodass die Größe der Kreisplatten bei Annäherung zur stromaufwärtigen Seite des inneren Strömungskanals (4) hin allmählich kleiner wird.

5. Befeuchtungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsteil (3d) durch Aufeinanderstapeln quadratischer Platten gebildet ist, sodass die Größe der quadratischen Platten bei Annäherung zur stromaufwärtigen Seite des inneren Strömungskanals (3) hin allmählich kleiner wird.

6. Befeuchtungsmodul, umfassend:
ein Hohlfasermembranbündel (1b), das aus einer Mehrzahl von Hohlfasermembranen zusammengesetzt ist, zur Durchführung eines Feuchtigkeitsaustausches zwischen innerhalb und außerhalb davon strömenden Fluiden;
einen hohlzylindrischen inneren Strömungskanal (2; 3; 4), der in das Hohlfasermembranbündel (1b) eingesetzt ist, sodass seine gesamte Einsetzlänge kürzer sein kann als die Länge in der Längsrichtung des Hohlfasermembranbündels (1b), wobei der innere Strömungskanal (2; 3; 4) einen Einlass (2a; 3a; 4a) und einen Auslass (2b; 3b; 4b) für den Durchtritt des Fluids sowie einen nahe dem Auslass angeordneten Boden (bs; bs1; bs2) aufweist; und
ein Vorsprungsteil (2c; 3d; 4d), das an dem Boden derart angeordnet ist, dass der Wegquerschnitt des inneren Strömungskanals (2; 3; 4) bei Annäherung an den Boden kleiner wird.

7. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (2b; 3d; 4d) Durchgangslöcher (Hout) aufweist, die in die Umfangswand des inneren Strömungskanals (2; 3; 4) nahe dem Boden (bs; bs1; bs2) gebohrt sind und zumindest ein Durchgangsloch (Hout) weiter stromab als eine Endspitze des Vorsprungsteils (2c; 3d; 4d) angeordnet ist.

8. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsteil (2c) kreisförmig verjüngt bzw. kegelförmig ist.

9. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsteil (4d) durch Aufeinanderstapeln kreisförmiger Platten gebildet ist, sodass die Größe der Kreisplatten bei Annäherung zur stromaufwärtigen Seite des inneren Strömungskanals (4) hin allmählich kleiner wird.

10. Befeuchtungsmodul nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsteil (3d) durch Aufeinanderstapeln quadratischer Platten gebildet ist, sodass die Größe der quadratischen Platten bei Annäherung zur stromaufwärtigen Seite des inneren Strömungskanals (3) hin allmählich kleiner wird.