CN101238606A - 燃料电池的加湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加湿装置，该装置包括具有中空中心的外壳和具有中空纤维膜的壳体。该壳体至少部分位于外壳的第一中空中心内。第一气流通过导入管流到中空中心并通过排出管流出外壳。第二气流通过壳体中的中空纤维膜流动。第一气流通过壳体中的流入孔从外壳的壁与壳体之间的间隙进入壳体，并通过壳体中的排出管流出壳体，流到外壳的壁与壳体之间的间隙。邻近隔壁布置导入管。该装置通过将水分从第一气流传递到第二气流来提供加湿性能，反之亦然。

Description

燃料电池的加湿系统

本申请要求2005年8月5日提交的日本专利申请No.2005-228732的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种加湿系统，更具体地，涉及一种用于燃料电池的加湿系统，但不限于此。

背景技术

一些燃料电池包括用于加湿入口气体的加湿系统。该加湿系统用于燃料电池以增大燃料电池的平均电流密度。入口气体需要最佳湿度水平以产生可能用于特定的燃料电池的最高的平均电流密度。使入口气体的湿度增大到最佳水平的一个技术是将来自出口气体的水分传送到入口气体，由于在燃料电池的化学反应过程中产生的水，所以该出口气体具有高的水分含量。

用于燃料电池系统的加湿系统可使用中空纤维膜。在中空纤维膜的内部设置细孔以使水分与气流分离。在中空纤维膜内部流动的出口气体的水分被传送到中空纤维膜的外部以加湿在中空纤维膜的外部流动的入口气体。

发明内容

然而，中空纤维膜不是特别坚固，容易在加湿系统内破裂。中空纤维膜的破裂经常发生在气流高度集中的区域，如气体流过加湿系统的出口和入口。

为了防止中空纤维膜的破裂，可在气流高度集中的区域布置高强度纤维。然而，高强度纤维往往加湿性能差，这降低了加湿系统的加湿能力。

总体来说，本发明提供一种可以在保持高加湿性能的同时有效防止中空纤维膜破裂的加湿装置。根据本发明，加湿装置交换在中空纤维膜的内部流动的气流与在中空纤维膜的外部流动的气流之间的水分。

在一个实施例中，本发明涉及一种包括具有导入管和排出管的外壳的装置。第一气流通过导入管流入到外壳。第一气流通过排出管流出外壳。该装置还包括被外壳覆盖的纤维模块，该纤维模块具有壳体和容纳在壳体中的中空纤维膜。壳体包括流入孔和排出孔，第一气流通过该流入孔从外壳的壁与壳体之间的间隙流入到壳体，第一气流通过该排出孔从外壳的壁与壳体之间的间隙流出，而第二气流在中空纤维膜内流动。该装置还包括将间隙分隔成导入室和排出室的隔壁。流入孔与导入室连接，而排出孔与排出室连接。朝中空纤维模块的轴线方向的内侧设置流入孔的导入管的位置，或朝中空纤维模块的轴线方向的内侧设置排出孔的排出管的位置。

在另一个实施例中，本发明涉及一种包括加湿系统和燃料电池堆的装置，该燃料电池堆接收来自加湿系统的被加湿的气流并将湿润气流输出到加湿系统。加湿系统包括具有第一中空中心的外壳和具有第二中空中心的壳体。外壳包括导入管和排出管，其中第一气流通过导入管流到第一中空中心，第一气流通过排出管流出第一中空中心。壳体至少部分布置在外壳的第一中空中心内。壳体包括第二中空中心内的中空纤维膜、与中空纤维膜连接的流入口、与中空纤维膜连接的排出口、流入孔和排出孔，其中，第二气流通过流入口流到中空纤维膜，第二气流通过排出口流出中空纤维膜，第一气流通过流入孔从外壳的壁与壳体之间的间隙流入到壳体，第一气流通过排出孔从外壳的壁与壳体之间的间隙流出。加湿系统还包括将间隙分隔成导入室和排出室的隔壁。流入孔与导入室连接而排出孔与排出室连接。邻近隔壁布置导入管。

附图说明

图1是图解第一典型实施例的加湿装置的斜立体图。

图2(a)是图解第一典型实施例的加湿装置的内部结构的一部分的剖视图。

图2(b)是图解第一典型实施例的中空纤维模块的局部剖视图。

图3是图解第二典型实施例的加湿装置的斜立体图。

图4是图3的加湿装置的剖视图。

图5(a)是图解第三典型实施例的加湿装置的斜立体图。

图5(b)是图解第三典型实施例的加湿装置的剖视图。

图6是图解第四典型实施例的加湿装置的斜立体图。

图7是图解第五典型实施例的加湿装置的斜立体图。

图8是图解第六典型实施例的加湿装置的斜立体图。

具体实施方式

图1是图解第一典型实施例的加湿装置1的斜立体图。此外，图2(a)是图解加湿装置的内部结构的一部分的剖视图。图2(b)是图解中空纤维模块的局部剖视图。加湿装置1可用于燃料电池系统。

燃料电池系统具有燃料电池，该燃料电池通过作为燃料的氢气和供给的作为氧化剂的空气发生电化学反应产生电能。燃料电池具有电能产生单元，该电能产生单元包括具有供给氢气的燃料极和供给空气的空气极的电池。考虑到能量的高密度化、成本的降低和重量的减小，经常使用固体高分子型作为各电池的电解质。例如，固体高分子膜可包括由如氟树脂基离子交换膜等离子(质子)导电高分子膜制成的电解质，并且通过饱和吸水用作离子导电电解质。

在燃料电池系统中，处于被加湿状态的氢气和空气是入口气体以加湿固体高分子电解质膜。本实施例的加湿装置1用于加湿供给到燃料电池系统中的燃料电池堆的氢气和空气。

本实施例的加湿装置1通过交换湿润气流W和干燥气流D之间的水来加湿残气D，该湿润气体即：从图中未示出的燃料电池堆排出的氢气或空气(下文中被称为废气)，该干燥气流D即：供给到燃料电池堆的氢气或空气(下文中被称作为残气)。如图1所示，加湿装置1包括中空纤维模块2、导入管11和排出管12，该导入管将气体(本实施例的残气D)导入到中空纤维模块2，该排出管12将通过穿过中空纤维模块2加湿的气体(残气D)排出到中空纤维模块2的外部。

如图1所示，中空纤维模块2包括容纳在筒状壳体4中的可透水的中空纤维膜3。壳体4成形为端部开口的筒状，并且残气D的流入孔5和排出孔6被布置在壳体的轴线方向的端部附近的外周壁上。中空纤维膜3具有从内侧到外侧的多个微细毛细管，并且中空纤维膜3被容纳在壳体4中。用封装材料(密封材料)密封壳体4的两端中的各中空纤维膜3之间的间隙。

在具有该结构的中空纤维模块2中，从燃料电池堆排出的废气W流过流入口7并从排出口8排出，该流入口7位于中空纤维模块2的一端，该排出口8位于中空纤维模块2的另一端。在中空纤维模块2中，废气W流向中空纤维膜3的内部。此外，残气D通过位于中空纤维模块2的一端中的流入孔5进入并从另一端的排出孔6排出。

加湿装置1交换第一气流(气体)与第二气流(气体)之间的水并加湿干燥的气流，该第一气流(气体)在中空纤维膜3的外部流动，该第二气流(气体)在中空纤维膜3的内部流动。根据本实施例，在中空纤维膜3的外部流动的残气D与第一气流对应，而在中空纤维膜3的内部流动的废气W与第二气流对应。

流入孔5是供给到燃料电池堆的残气D在中空纤维模块2中的入口，并且位于中空纤维模块2的废气排出侧的端部附近。沿圆周方向在壳体4的外周壁上间隔地设置流入孔5。此外，排出孔6是残气D在中空纤维模块中的出口，并且位于中空纤维模块的气体进入侧的另一个端部附近。在壳体4的外周壁上设置与流入孔5相同数量的排出孔6。

筒状外壳10覆盖中空纤维模块2的至少外周部。导入管11和排出管12在圆周方向的斜线位置与外壳10的周壁连接。导入管11与外壳10的周壁连接以连接外壳10与壳体4之间的间隙15。通过间隙15，导入管11将残气D从流入孔5导入到中空纤维膜2的内部。此外，排出管12与外壳10的周壁连接，使得排出管12与间隙15连接。通过间隙15，排出管12将穿过中空纤维模块2的残气D排出到中空纤维模块2的外部。

在外壳10与壳体4之间，隔壁13将间隙15产生的环状空间分隔成布置导入管11和流入孔5的导入侧(导入室15a)以及布置排出管12和排出孔6的排出侧(排出室15b)。

这里，如图1所示，在加湿装置1中，相对于流入孔5，导入管11与外壳10的连接位置被设定成沿轴线方向(壳体4的轴线方向)朝中空纤维模块2的内侧偏移。换句话说，相对于流入孔5，导入管11与外壳10的连接位置沿中空纤维模块2的轴线方向被设定在排出孔6侧。也就是说，导入管11与排出孔6的沿壳体轴线方向的距离小于流入孔5与排出孔6的沿壳体轴线方向的距离。此外，相对于排出孔6，排出管12与外壳10的连接位置被设定成朝中空纤维模块2的轴线方向的内侧。换句话说，相对于排出孔6，排出管12与外壳10的连接位置沿中空纤维模块2的轴线方向被设定在流入孔5侧。

根据本实施例，由于如上所述设定导入管11与外壳10的连接位置，因此，残气D从导入管11到流入孔5的流路变得弯曲。结果，可以均匀分散来自导入管11的残气D并将气体导入到各流入孔5，由此减少中空纤维模块2内的裂纹(broken thread)。此时，由于可以将残气D几乎均匀地导入到各流入孔5，因此，中空纤维模块2内部的残气D的流路几乎均匀，这提供良好的加湿性能。

由于导入管11可以远离流入孔5布置，因此可以增大包括导入管11的布置(layout)的自由度。也可以对排出侧(排出室15b)施加相同的效果，也就是说，可以增大防止由导入管11侧和排出管12附近的残气D的流入集中引起的裂纹的效果。这里，本实施例的条件是流入孔的导入管沿中空纤维模块的轴线方向被布置在排出孔侧。

相反地，当流入孔的导入管沿中空纤维模块的轴线方向被布置在排出孔的相反侧时，从导入管到流入孔的流动方向与中空纤维模块内的流动方向相同。因此，在气体从导入管流到流入孔的同时，不能有效地完成气体的分散，气流集中在位于导入管附近的流入孔，气体更容易流入该流入孔且线性流动。结果，不能获得本实施例获得的有效效果。

图3是图解第二典型实施例的加湿装置的重要部分的斜立体图。图4是图3的重要部分的剖视图。

如图3和图4所示，在第二典型实施例的加湿装置1B中，外壳10和中空纤维模块2的壳体4的径向位置不同轴。也就是说，通过移动(偏心)外壳10的轴心和壳体4的轴心，外壳10与壳体4之间的间隙15的尺寸在连接导入管11的一侧减小，而在其它部分增大。结果，环状连续的间隙15接近导入管11的部分的尺寸是最小尺寸d1，而其相反侧的尺寸是最大尺寸d2。结果，从导入管11到位于导入管11附近的流入孔5的流路的截面积减小，而当流入孔5距导入管11较远时，从导入管11到流入孔5的流路的截面积增大。

根据具有该结构的第二典型实施例的加湿装置1B，由于外壳10与壳体4之间的间隙15在导入管11的附近小，因此，与比较例的加湿装置的间隙尺寸沿圆周方向相同的结构相比，可以限制流到位于导入管11近旁的流入孔5的气流的流动，在流入孔5处，残气D的流动容易集中。此外，可以在各流入孔5均匀地分散残气D，并且还可以提高防止由残气D的流动集中产生的裂纹的效果。

至于排出侧，可以通过按上述类似方式布置该部分获得相同的效果。

而且，当由于设备的设置限制不能自由确定导入管11到流入孔5的偏移量和排出管12到排出孔6的偏移量时，如果使用第二典型实施例的结构，则外壳10的轴心相对于壳体4的轴心的偏心程度可以补偿偏移量的不足。

此外，即使当存在如第三典型实施例的导入管11的设置限制，如果使用第二典型实施例的结果，则可以有效地减少裂纹。

图5(a)是图解第三典型实施例的加湿装置的重要部分的斜立体图，而图5(b)是其重要部分的剖视图。

在第三典型实施例的加湿装置1C中，由于加湿装置1C的周边装置的关系，导入管11和排出管12被布置在沿外壳10的圆周方向的几乎相同的位置。当导入管11和排出管12被布置在沿外壳10的圆周方向的几乎相同的位置时，气体D容易流入位于导入管11附近的流入孔5，同时，气体容易从位于排出管12附近的排出孔6排出。结果，中空纤维模块2内的气流变得特别不均衡。然而，在第三典型实施例中，使用与第二典型实施例的结构相同的结构，以使壳体4的轴心相对于外壳10的轴心朝向导入管11和排出管12侧偏心。结果，可以限制气体D流入到位于导入管附近的气体D容易集中的流入孔5中，并且可以限制来自位于排出管12附近的排出孔6的气体D的流动，由此，即使在存在布置导入管11和排出管12的限制的情况下，也可以有效地减少裂纹。

图6是图解第四典型实施例的加湿装置的重要部分的斜立体图。

在第四典型实施例的加湿装置1D中，从等分流入孔5和排出孔6的位置移动隔壁13的位置。例如，当通过导入管11导入残气D的导入侧的平均流速比通过排出管12排出残气D的排出侧的平均流速快时，朝向中空纤维模块2的轴线方向的排出侧布置隔壁13。相反地，当排出侧的平均流速比导入侧的平均流速快时，朝向中空纤维模块2的轴线方向的导入侧布置隔壁13。如图所示的例子图解后者的情况。

由于中空纤维模块2前后的温度和压力条件的差别，导入侧和排出侧的气流的平均流速总是不一致。结果，导入侧的裂纹频率可能不同于排出侧的裂纹频率。在本实施例的加湿装置1C中，如上所述，沿轴线方向移动外壳10与壳体4之间的隔壁13的位置。结果，可以将负载分配到流速较快的部分和流速较慢的部分，由此提高整个加湿装置的抗裂纹性。

图7是图解第五典型实施例的加湿装置的重要部分的斜立体图。

在第五典型实施例的加湿装置1E中，在中空纤维模块2的轴线方向的斜线位置布置隔壁13。通过对角布置隔壁13，流入孔5与隔壁13之间的距离或排出孔6与隔壁13之间的距离在连接导入管11侧和连接排出管12侧都增大。

因此，可以增大导入管11和排出管12与外壳10连接时的偏移量。通过增大导入侧(导入室15a)和排出侧(排出室15b)的偏移量，可以进一步提高抗裂纹性。结果，当相对于残气的平均流速和纤维(thread)的强度的目标寿命范围大时，加湿装置是有效的。

图8是第六典型实施例的加湿装置的重要部分的斜立体图。

在第六典型实施例的加湿装置1F中，导入管11沿外壳10的圆周方向布置在排出管12的相反侧。导入管11和流入孔5被布置在同侧，排出管12与排出孔6被布置在同侧。导入管11和流入孔5沿轴线方向布置在排出管12和排出孔6的相反侧。

与中空纤维模块2的轴线方向几乎平行地布置隔壁13，通过沿外壳10和壳体4的径向分隔由外壳10与壳体4之间的间隙15产生的空间，产生包含导入管11和流入孔5的导入侧(导入室15a)和包含排出管12和排出孔6的排出侧(排出室15b)。

在加湿装置1F中，通过与外壳的轴线方向几乎平行地布置(与中空纤维模块2的轴线方向几乎平行)隔壁13，导入管11和流入孔5被布置在外壳10的纵向两侧，此时排出管12和排出孔6被布置在外壳10的纵向两侧，由此同时确保导入管11侧和排出管12侧的最大偏移量。如上所述，由于可以确保导入管11和排出管12的最大偏移量，因此，在本实施例中，还可以增大抗裂纹性。这里，当流入孔5和排出孔6可以被布置在作为壳体4的圆周的一半面积的区域中时，优选使用第六典型实施例，各独立的流入孔5和排出孔6可以制成大尺寸并且可以确保其必要的流通能力。

作为另一个实施例，例如，当导入管11和排出管12的管径不同时，使具有较小管径的流入孔5或排出孔6的偏移长度大于具有较大管径的流入孔5或排出孔6的偏移长度。流入孔5的偏移长度是流入孔5与导入管11之间的距离。此外，排出孔6的偏移长度是排出孔6与排出管12之间的距离。

通过在管入口附近的流速快的一侧增大导入管11或排出管12的偏移长度，可以在保持抗裂纹性的同时不增大中空纤维模块2中的全体气流的分布的情况下，减小导入管11和排出管12的直径。

当导入管11和排出管12的截面形状不同时，使具有较快流速的流入孔5或排出孔6的偏移长度大于具有较慢流速的流入孔5或排出孔6的偏移长度。

通过在管入口附近的流速快的一侧增大导入管或排出管的偏移长度，可以在保持抗裂纹性的同时不增大中空纤维模块2中的全体气流的分布的情况下，使导入管11和排出管12是除了筒状之外的例如椭圆形等形状。

这里，在本实施例中，在中空纤维膜3的内部流动的第二气流是湿润气流(废气W)，而在中空纤维膜3的外部流动的第一气流是干燥气流(残气D)。相反地，在中空纤维膜3的内部流动的第二气流可以是干燥气流(残气D)，而在中空纤维膜3的外部流动的第一气流可以是湿润气流(废气W)。在该情况下，可以获得类似的效果。

这里，根据本发明，在从导入管与外壳的连接位置起沿轴线朝流入孔方向的结构中，当偏移长度是L1时，最大偏移长度是L1max而最小偏移长度是L1min，优选将范围设定成L1max≥L1≥L1min。当导入管与外壳的连接位置被设定成范围L1min≥L1时，来自导入管的气流可集中在导入管附近的流入孔。

另一方面，当导入管与外壳的连接位置被设定成范围L1≥L1max时，在气流进入外壳的内部之后的过程中产生另一气流，该气流流动到流入孔，结果，不能获得大的分散效果。此外，优选使用通过导入管导入的气流不直接进流入孔的偏移长度，也就是说，利用导入管的流入孔的侧端与流入孔的导入管的侧端不一致的偏移长度。

基于下述相同的理由，在排出管与外壳的连接位置沿轴线方向朝排出孔偏移的结构中，当偏移长度是L2时，最大偏移长度是L2max而最小偏移长度是L2min，优选将范围设定成L2max≥L2≥L2min。此外，优选使用从排出孔排出的气流不直接排出到排出管的偏移长度，也就是说，利用排出孔的排出管的侧边与排出管的排出孔的侧边不一致的偏移长度。

Claims (19)

1.一种装置，其包括：

外壳，其具有导入管和排出管，其中，第一气流通过所述导入管流入到所述外壳，所述第一气流通过所述排出管流出所述外壳；

纤维模块，其被所述外壳覆盖，所述纤维模块具有壳体和容纳在所述壳体中的中空纤维膜，其中，所述壳体包括流入孔和排出孔，所述第一气流通过所述流入孔从所述外壳的壁和所述壳体之间的间隙流入到所述壳体，所述第一气流通过所述排出孔从所述壳体流到所述外壳的所述壁与所述壳体之间的所述间隙，并且第二气流流动通过所述中空纤维膜的内部；以及

隔壁，其将所述间隙分隔成导入室和排出室，其中，所述流入孔与所述导入室连接，所述排出孔与所述排出室连接，

其中，所述导入管相对于所述流入孔的位置被设置成靠近所述中空纤维模块的轴线方向的内侧，或者所述排出管相对于所述排出孔的位置被设置成靠近所述中空纤维模块的轴线方向的内侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排出管位于邻近所述隔壁的位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当沿所述中空纤维模块的轴线方向测量时，所述导入管位于比所述流入孔更接近所述隔壁的位置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在邻近所述导入管处的所述间隙小于相对于所述中空纤维模块的轴线在所述导入管的相反侧处的所述间隙。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述导入管的所述第一气流的平均流速比通过所述排出管的所述第一气流的平均流速快，

将所述隔壁布置成在所述中空纤维模块的轴线方向上靠近所述壳体的邻近所述排出管的一侧。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述排出管的所述第一气流的平均流速比通过所述导入管的所述第一气流的平均流速快，

所述隔壁在所述中空纤维模块的轴线方向上的位置靠近所述壳体的邻近所述导入管的一侧。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔壁相对于所述中空纤维模块的轴线方向倾斜。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔壁与所述中空纤维模块的轴线方向大致平行。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管沿所述外壳的圆周布置在所述排出管的大致相反侧。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管沿所述外壳的圆周布置在与所述排出管大致相同的圆周位置。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管的直径大于所述排出管的直径，

所述排出管相对于所述排出孔的偏移长度大于所述导入管相对于所述流入孔的偏移长度。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管的直径小于所述排出管的直径，

所述排出管相对于所述排出孔的偏移长度小于所述导入管相对于所述流入孔的偏移长度。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管的截面形状与所述排出管的截面形状不同，

在流速较快的情况下所述导入管相对于所述流入孔的偏移长度或所述排出管相对于所述排出孔的偏移长度，大于在流速较慢的情况下所述导入管相对于所述流入孔或所述排出管相对于所述排出孔的偏移长度。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导入管被布置成使所述导入管相对于所述流入孔的偏移长度大约是由所述外壳的尺寸和所述隔壁的位置允许的最大距离。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一气流是湿润气流，而所述第二气流是干燥气流。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一气流是干燥气流，而所述第二气流是湿润气流。

17.一种装置，其包括：

加湿系统，其包括：

具有第一空心的外壳，其包括：

导入管，其中，第一气流通过所述导入管流到所述第一空心；以及

排出管，其中，所述第一气流通过所述排出管流出所述第一空心，以及

所述加湿系统还包括具有第二空心的壳体，其中，所述壳体至少部分地位于所述外壳的所述第一空心的内部，其中，所述壳体包括：

在所述第二空心内的中空纤维膜，

与所述中空纤维膜连接的流入口，其中，第二气流通过所述流入口流到所述中空纤维膜，

与所述中空纤维膜连接的排出口，其中，所述第二气流通过所述排出口流出所述中空纤维膜，

流入孔，所述第一气流通过所述流入孔从所述外壳的壁与所述壳体之间的间隙流入到所述壳体，以及

排出孔，所述第一气流通过所述排出孔从所述壳

体流到所述外壳的所述壁与所述壳体之间的间隙，

所述加湿系统还包括将所述间隙分隔成导入室和排出室的隔壁，其中，所述流入孔与所述导入室连接，所述排出孔与所述排出室连接，

其中，所述导入管位于邻近所述隔壁的位置；以及

燃料电池堆，其接收来自所述加湿系统的被加湿的气流并将湿润气流输出到所述加湿系统。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述被加湿的气流是所述第一气流，而所述湿润气流是所述第二气流。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述被加湿的气流是所述第二气流，而所述湿润气流是所述第一气流。

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