CN101383422B - 燃料电池加湿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了燃料电池的加湿系统，其中根据由燃料电池组产生的电流量或车辆输出选择性地使用多个膜加湿器，该多个膜加湿器采用具有不同直径和孔径尺寸的不同类型的中空纤维膜；或具有不同数目的中空纤维膜，从而调节要被供应到燃料电池组的干燥空气的加湿量，并防止阴极处产生溢流现象和在阴极处空气供应量不足的缺乏现象。

Description

燃料电池加湿系统

技术领域

本发明涉及燃料电池加湿系统。更具体地，本发明涉及可调节要被供应到燃料电池组的干燥空气的湿度的燃料电池加湿系统。

背景技术

燃料电池系统是发电系统，其将燃料的化学能直接转化为电能。

燃料电池系统通常包括用于发电的燃料电池组，用于供应燃料(氢气)至燃料电池组的燃料供应系统，用于供应空气中的氧气至燃料电池组的空气供应系统，氧气是电化学反应所需要的氧化剂，以及用于将燃料电池组的反应热排出燃料电池系统并控制燃料电池组的工作温度的热和水管理系统。

具有上述配置的燃料电池系统通过作为燃料的氢气和空气中氧气的电化学反应而发电并排出作为反应副产物的热和水。

其中，燃料电池系统需要湿润的空气以促进化学反应。加湿是通过以中空纤维膜或薄膜形式的膜而直接供应水至燃料电池组，或通过将从燃料电池组释放的过饱和湿润空气的湿空气与来自外部的干燥空气进行交换而执行的。

图1是示出了其中湿润空气由燃料电池的传统加湿系统供应的情况的视图。如图所示，来自外部的干燥空气被风机1强迫吹风通过膜加湿器2，且从燃料电池组3的出口排放的过饱和湿润空气通过膜加湿器2(然后排放到外部空气)，因此通过过饱和湿润空气和干燥空气之间的湿气交换实现加湿。从而加湿的空气被供应到燃料电池组3。

膜加湿器2是采用中空纤维膜的气体-气体膜加湿器。在使用这样的膜加湿器2时，因为可以高度集成具有大接触表面积的中空纤维膜，即使容量(capacity)小也能实现燃料电池组3的充分加湿。此外，因为在从燃料电池组3排放的高温未反应气体中包含的湿空气和热被收集并再利用，可以节省燃料电池组3加湿需要的湿空气和能量。

一个直接影响燃料电池系统的操作性能的因素是含水量。具体地，必须供应超过预定量的湿空气至膜电极组件(MEA)的催化剂层中的电解质膜和离子聚合物(ionomer)，从而获得电解质膜和离子聚合物的最大离子导电性。

这里，膜加湿器2的功能是通过膜表面将在从燃料电池组3高温排放的未反应气体中包含的湿气和热供应至室温干燥气体，该室温干燥气体被供应至燃料电池组3，因此实现燃料电池组3的加湿和温度保持。

传统膜加湿器主要包括干燥空气通过的中空纤维膜束(bundle)，和从燃料电池组3排放的过饱和湿润空气通过的壳体。在该情况下，壳体基本上为圆筒形状，包括干燥空气和过饱和湿润空气通过的入口和出口。

然而，传统加湿系统具有下面的缺点。

首先，高于某水平的湿度在适于低电流和低输出区的同时，在高电流和高输出区可增加从阴极产生的水量。

在高电流和高输出区从阴极产生的水量的增加可增加阴极处物质转移阻力，引起溢流问题。这进而可阻塞阴极处的空气供应并引起空气缺乏的问题。结果，可加速燃料电池催化剂的退化，并且可显著降低燃料电池的耐用性。

从而，在高电流和高输出区，需要将湿空气量降低至某个水平。尽管如此，传统膜加湿器在低电流区和高电流区之间湿空气量上差别很小；高电流区具有超过RH 80％的加湿性能，RH 80％类似于低电流区湿度水平。此外，传统膜加湿器有缺点，因为在高电流区，随着气流量的增加，压力降增加且风机负载增加。

该背景技术中揭示的信息仅是为了增强对本发明背景的理解，而不能当作对形成本领域技术人员公知的现有技术的信息的承认，或当作任何形式的建议。

发明内容

本发明努力解决上面的问题，且本发明的目的是提供燃料电池的加湿系统，其可调节要被供应到燃料电池组的干燥空气的加湿量并防止的溢流和缺乏的问题。

在优选实施例中，本发明提供了燃料电池的加湿系统，加湿系统包括：第一膜加湿器，其包括在第一壳体中的至少一个中空纤维膜；第二膜加湿器，其包括在第二壳体中的至少一个中空纤维膜，该中空纤维膜的直径大于第一膜加湿器的中空纤维膜的直径，且该中空纤维膜的孔径尺寸小于第一膜加湿器的中空纤维膜的孔径尺寸；和流动路径开关阀门，其设置在第二膜加湿器的后端，用于选择性地打开或关闭要被供应到燃料电池的燃料电池组的加湿空气的排放流动路径。

在另一个优选实施例中，本发明提供燃料电池的加湿系统，加湿系统包括：第一膜加湿器，其包括在第一壳体中的至少一个中空纤维膜；第二膜加湿器，其包括在第二壳体中的至少一个中空纤维膜，该中空纤维膜的数目小于第一膜加湿器的中空纤维膜的数目；和流动路径开关阀门，其设置在第二膜加湿器的后端，用于选择性地打开或关闭要被供应到燃料电池的燃料电池组的加湿空气的排放流动路径。

在上面的实施例中，第一和第二膜加湿器相对于从外部空气供应的干燥空气被输送到第一和第二膜加湿器所经过的流动路径和加湿空气被供应到燃料电池组所经过的流动路径的方向并联设置。干燥空气流经全部或部分的中空纤维膜，而从燃料电池的燃料电池组排放的过饱和湿空气流经第一和第二壳体的内部，从而可通过干燥空气和过饱和湿空气之间的湿气交换形成加湿空气。

优选，流动路径开关阀门是压力阀，该压力阀可在空气压力增加到超过预定水平时自动打开。

还优选，流动路径开关阀门是电子阀门，该电子阀门可根据从外部供应的电信号而打开或关闭。在这种情况下，系统可进一步包括：电流传感器，其用于检测从燃料电池组产生并输出的电流量；和控制器，其用于根据来自电流传感器的输出信号来确定高电流区，并输出控制信号以在高电流区中打开电子阀门。可不用电流传感器而采用踏板传感器(pedal sensor)。

可以理解，术语“车辆”或“车辆的”或这里使用的其他类似术语包括广义的机动车辆，如包括运动型多用途车(SUV)，巴士，卡车，多种商业车辆等的乘用车，包括各种艇和船水运工具，飞行器等。本系统对于多种机动车辆特别有用。

本发明的其他方面在下面说明。

附图说明

图1是示出了湿空气由传统的燃料电池加湿系统供应的状态的视图；

图2是示出了根据本发明的燃料电池加湿系统在低电流和低输出区的配置和操作状态的视图；

图3是示出了根据本发明的燃料电池的加湿系统在低电流和低输出区的配置和操作状态的视图；

图4是示出了本发明的加湿系统中，使用了采用不同类型的中空纤维膜束的膜加湿器的视图；并且

图5是框图，其示出了在本发明的加湿系统中，由根据来自控制器的电信号打开和关闭的电子阀门作为流动路径开关阀门的配置例子。

附图中给出的标识号包括下文中进一步讨论的如下元件：

10：风机           21：第一膜加湿器

21a：中空纤维膜    22：第二膜加湿器

22a：中空纤维膜    23：流动路径开关阀门

30：燃料电池组

具体实施方式

下面详细参考本发明优选实施例，其中的实例在附图中示出，在全文中相似的标识号表示相似的元件。下面参考附图说明实施例以便解释本发明。

本发明提供用于燃料电池的加湿系统，其能够按照燃料电池组产生的电流量或车辆的输出调节对干燥空气的加湿量。

图2是示出了根据本发明的燃料电池加湿系统在低电流和低输出区中的配置和操作状态的视图，而图3是示出了根据本发明的燃料电池加湿系统在高电流和高输出区中的配置和操作状态的视图。

如图所示，本发明的加湿系统包括多个膜加湿器21和22，其采用中空纤维膜21a和22a。

包括中空纤维膜21a和22a的中空纤维膜束被设置在各膜加湿器21和22的壳体中。各膜加湿器21和22中采用的中空纤维膜21a和22a具有不同的直径和孔径尺寸。也就是，膜加湿器21和22采用不同类型的中空纤维膜21a和22a。

在本发明优选实施例中，如图2和3所示，提供了采用不同类型的中空纤维膜21a和22a的两个膜加湿器21和22。具体地，膜加湿器21采用中空纤维膜束21a，其具有较小的直径和较大的孔径尺寸，且膜加湿器22采用中空纤维膜束22a，其具有较大的直径和较小的孔径尺寸。

在下文中将采用具有较小直径和较大孔径尺寸的中空纤维膜束21a的膜加湿器21称为第一膜加湿器，且在下文中将具有较大直径和较小孔径尺寸的中空纤维膜束22a的膜加湿器22称为第二膜加湿器。

图4是示出了在本发明的加湿系统中采用不同类型的中空纤维膜束的膜加湿器的使用的视图。如图所示，第一膜加湿器21采用具有较小直径的中空纤维膜21a，而第二膜加湿器22采用具有较大直径的中空纤维膜22a。根据中空纤维膜的数目，第二膜加湿器22采用较小数目的具有较大直径的中空纤维膜22a。尽管图4中没有示出，中空纤维膜22a的孔径尺寸小于中空纤维膜21a的孔径尺寸。注意，孔设置在膜的侧壁部分，湿气交换是通过这些孔实现的。

如图所示，第一和第二膜加湿器21和22相对于连接到风机10的干燥空气流动路径和连接到燃料电池组30的湿润空气流动路径并联设置，并相对于连接到燃料电池组30的出口的过饱和湿空气流动路径串联设置。

为了这个目的，通过在各膜加湿器21和22上游的流动路径和壳体的入口输送的干燥空气，流动通过在各膜加湿器21和22的壳体中设置的中空纤维膜21a和22a内部，并通过各膜加湿器21和22的壳体出口排放，以沿着在各膜加湿器21和22的下游的流动路径流动。此外，安装在两个膜加湿器21和22中的过饱和湿空气的流动路径彼此连通，从而从燃料电池组30的出口排放的过饱和湿空气通过连接到燃料电池组30的出口的流动路径连续地流经第一膜加湿器的壳体内部，然后流经第二膜加湿器的壳体内部，以被排放到外部空气中。

从而，被风机10强迫吹出的干燥空气可分叉到并流经第一膜加湿器21和第二膜加湿器22，并且从燃料电池组30排放的过饱和湿空气可依次流经第一膜加湿器21和第二膜加湿器22。

此时，通过依次流经第一膜加湿器21和第二膜加湿器22的过饱和湿空气与流经各膜加湿器21和22的中空纤维膜内部的干燥空气之间的湿气交换，实现对干燥空气的加湿，且因此加湿的空气经流动路径供应到燃料电池组30。

其时，防止逆流和选择性打开和关闭第二膜加湿器22的排放流动路径的流动路径开关阀门23设置在第二膜加湿器22的后端。可使用被动型压力阀作为流动路径开关阀门23，其在流经第二膜加湿器22的空气压力增加到超过预定水平时打开排放流动路径。

在阀门领域，通用的根据压力打开和关闭流动路径的压力阀是被配置成能够通过流动路径中流体施加的压力和弹簧力实现打开和关闭操作的压力阀。在这类公知的压力阀中，由于弹簧在流体压力超过设计压力水平时变形，因此阀门中的流动路径打开，且如果流体的压力减小到设计压力水平以下，则阀门中流动路径由于弹簧的弹力而关闭。

此外，可使用通过电信号开关排放流动路径的电子阀门，作为在第二膜加湿器22的后端的流动路径开关阀门23。这样的电子阀门是由从控制器9输出的控制信号主动控制的压力阀。可使用类似普通节流阀的电子阀，其中执行机构由电信号驱动，从而阀瓣(flap)旋转以打开和关闭流动路径。

在低电流和低输出区，由风机10吹出的空气的量小，从而相对少量的湿空气被供应到燃料电池组30。在第二膜加湿器22的流动路径开关阀门23预置关闭的情况下，由风机10吹出的干燥空气流经第一膜加湿器21，从而加湿的空气被供应到燃料电池组30。

类似地，在低电流和低输出区，仅通过采用具有小直径和较大孔径尺寸的中空纤维膜21a的第一膜加湿器21即可实现充分的加湿量。

在采用根据流体压力打开流动路径的被动型压力阀中，因为低电流和低输出区中空气压力低，所以压力阀关闭。从而，第二膜加湿器22的排放流动路径被关闭，且因此空气不流入具有较大直径和较小孔径尺寸的中空纤维膜束22a中。

相比之下，在由风机10吹出的空气量增加的高电流和高输出区，在第二膜加湿器22的流动路径开关阀门23打开的情况下，由风机10吹出的干燥空气同时流经第一膜加湿器21和第二膜加湿器22，由第一膜加湿器21和第二膜加湿器22加湿的空气被供应到燃料电池组30。

这样，在高电流和高输出区，采用具有较小直径和较大孔径尺寸的中空纤维膜21a的第一膜加湿器21和采用具有较大直径和较小孔径尺寸的中空纤维膜22a的第二膜加湿器22同时用于执行加湿，因此适当地调节加湿量。

在这种情况下，因为在高电流和高输出区中风机10吹出的空气量大，所以流动路径开关阀门23，即弹簧型压力阀被大量空气的压力打开，从而，部分空气可流经第二膜加湿器22的中空纤维膜束22a。因此，加湿器的排放压力减小，同时，量减少的加湿空气被供应给燃料电池组30。

这样，流动路径开关阀门23，即弹簧型压力阀在高电流和高输出区的气压增加到超过预定水平时自动打开。

在由控制器电信号打开和关闭的电子阀门被用作流动路径开关阀门23的情况下，如图5所示，控制器9从用于检测燃料电池组30产生并输出的电流量的电流传感器8确定高电流区，并输出控制信号以在高电流区中打开流动路径开关阀门23。

作为另一种方法，控制器9基于从用于检测由驾驶员致动的油门踏板下压量(踏板致动量)的踏板传感器8’输入的信号，根据油门踏板的下压量确定高输出区，并输出控制信号以在高输出区打开流动路径开关阀门23。

在这种情况下，第一膜加湿器21和第二膜加湿器22同时用于加湿空气。

当然，如果根据踏板传感器8’的检测值确定低电流和低输出区，控制器9输出控制信号以关闭流动路径开关阀门23。

在这种情况下，因为第二膜加湿器22的流动路径被截断，仅通过第一膜加湿器21进行加湿。

尽管上文中已经说明了关于使用两个采用不同的中空纤维膜的膜加湿器的情况，可以通过在两个膜加湿器中采用同一类型的中空纤维膜和通过改变中空纤维膜的数目实现本发明的目的，如本发明另一个实施例。

也就是，使用同样的中空纤维膜，和改变在各膜加湿器中所采用的中空纤维膜的数目以调节所需的加湿量。

首先，第一膜加湿器具有相对少量的中空纤维膜，而第二膜加湿器具有相对大量的中空纤维膜。

除了在第一和第二膜加湿器中采用的中空纤维膜数目的变化以外，如安装在第二膜加湿器中的流动路径开关阀门等其他部件与上述相同。

按照本发明实施例，流动路径开关阀门的操作状态和实现的效果与上述相同。

如上所述，本发明提供了燃料电池的加湿系统，其中根据由燃料电池组产生的电流量或车辆输出选择性使用多个膜加湿器，从而调节要被供应到燃料电池组的干燥空气的加湿量，其中所述多个膜加湿器使用具有不同直径和孔径尺寸的不同类型的中空纤维膜，或具有不同数目的中空纤维膜。

具体地，因为可根据条件适当调节加湿量，可以防止燃料电池组阴极附近的溢流现象和其中阴极处空气供应不足的缺乏现象。

此外，可防止由于缺乏现象导致的燃料电池催化剂的恶化和耐用性的恶化。而且可通过减小由气电流增加产生的压力降而减小风机的负载。

本发明已经参考优选实施例详细描述。然而，本领域技术人员可以理解，可对这些实施例中做出改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范畴由权利要求及其等效权利要求限定。

Claims (10)

1. 一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统包括：

第一膜加湿器，其包括在第一壳体中的至少一个中空纤维膜；

第二膜加湿器，其包括在第二壳体中的至少一个中空纤维膜，该中空纤维膜的直径大于所述第一膜加湿器的中空纤维膜的直径，且该中空纤维膜的孔径尺寸小于所述第一膜加湿器的中空纤维膜的孔径尺寸；和

流动路径开关阀门，其设置在所述第二膜加湿器的后端，用于选择性地打开或关闭要被供应到所述燃料电池的燃料电池组的加湿空气的排放流动路径，

其中所述第一和第二膜加湿器相对于从外部空气供应的干燥空气被输送到所述第一和第二膜加湿器所经过的流动路径和所述加湿空气被供应到所述燃料电池组所经过的流动路径的方向并联设置；并且所述干燥空气流经全部或部分的中空纤维膜，而从所述燃料电池的所述燃料电池组排放的过饱和湿空气流经所述第一和第二壳体的内部，从而可通过所述干燥空气和所述过饱和湿空气之间的湿气交换形成所述加湿空气。

2. 如权利要求1所述的系统，其中所述流动路径开关阀门是压力阀，该压力阀可在空气压力增加到超过预定水平时自动打开。

3. 如权利要求1所述的系统，其中所述流动路径开关阀门是电子阀门，该电子阀门可根据从外部供应的电信号而打开或关闭。

4. 如权利要求3所述的系统，进一步包括：

电流传感器，其用于检测从所述燃料电池组产生并输出的电流量；和

控制器，其用于根据来自所述电流传感器的输出信号来确定高电流区，并输出控制信号以在所述高电流区中打开所述电子阀门。

5. 如权利要求3所述的系统，进一步包括：

踏板传感器，其用于检测由驾驶员致动的油门踏板的下压量；和

控制器，其用于根据来自所述踏板传感器的输出信号来确定高输出区，并输出控制信号以在所述高输出区中打开所述电子阀门。

6. 一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统包括：

第一膜加湿器，其包括在第一壳体中的至少一个中空纤维膜；

第二膜加湿器，其包括在第二壳体中的至少一个中空纤维膜，该中空纤维膜的数目小于所述第一膜加湿器的中空纤维膜的数目；和

流动路径开关阀门，其设置在所述第二膜加湿器的后端，用于选择性地打开或关闭要被供应到所述燃料电池的燃料电池组的加湿空气的排放流动路径，

其中所述第一和第二膜加湿器相对于从外部空气供应的干燥空气被输送到所述第一和第二膜加湿器所经过的流动路径和所述加湿空气被供应到所述燃料电池组所经过的流动路径的方向并联设置；并且所述干燥空气流经全部或部分的中空纤维膜，而从所述燃料电池的所述燃料电池组排放的过饱和湿空气流经所述第一和第二壳体的内部，从而可通过所述干燥空气和所述过饱和湿空气之间的湿气交换形成所述加湿空气。

7. 如权利要求6所述的系统，其中所述流动路径开关阀门是压力阀，该压力阀可在空气压力增加到超过预定水平时自动打开。

8. 如权利要求6所述的系统，其中所述流动路径开关阀门是电子阀门，该电子阀门可根据从外部供应的电信号而打开或关闭。

9. 如权利要求8所述的系统，进一步包括：

电流传感器，其用于检测从所述燃料电池组产生并输出的电流量；和

控制器，其用于根据来自所述电流传感器的输出信号来确定高电流区，并输出控制信号以在所述高电流区中打开所述电子阀门。

10. 如权利要求8所述的系统，进一步包括：

踏板传感器，其用于检测由驾驶员致动的油门踏板的下压量；和

控制器，其用于根据来自所述踏板传感器的输出信号来确定高输出区，并输出控制信号以在所述高输出区中打开所述电子阀门。

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