CN102648547B - 用于燃料电池的加湿器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于燃料电池的加湿器，由于其通过使设置在加湿器内的所有中空纤维膜的加湿程度均匀来最大化中空纤维膜和待供应到燃料电池的反应气体之间的接触面积，能够实现高加湿效率。所述加湿器包括：膜外壳，包括第一端、位于所述第一端的相对侧的第二端和沿所述第二端的外周表面设置的多个孔；中空纤维膜，该中空纤维膜的两端分别装到所述膜外壳的所述第一端和所述第二端，其中，所述中空纤维膜位于所述膜外壳内；以及帽，包括用于含水分未反应气体的入口，其中，所述帽安装在所述膜外壳的所述第二端处，并且所述帽的内表面设置有能够使通过所述入口供应的所述含水分未反应气体均匀地分布到所述多个孔的多个突起。
Description
技术领域
本发明涉及一种加湿器，更具体地，涉及一种用于燃料电池的加湿器。
背景技术
燃料电池是通过氢和氧的化合来产生电的电化学电池。与普通化学电池不同，只要供应必要的氢和氧，燃料电池就可以持续产生电。此外，燃料电池没有热量损失，从而燃料电池的效率高达内燃机效率的二倍。此外，由于燃料电池将氢和氧的化合所产生的化学能直接转化为电能，因此，燃料电势是生态环境友好的，并且能够在不用担心化石燃料耗尽的情况下工作。
基于电解质的类型，燃料电池可以被划分为聚合物电解质燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池。这些燃料电池基本上基于相同的原理工作。然而，每种燃料电池的燃料种类、工作温度、催化剂和电解质可以不同。在前述燃料电池中，聚合物电解质燃料电池可以在相对低的温度工作，并且由于输出密度大而可以形成为小型尺寸，因此，聚合物电解质燃料电池适合运输系统以及小尺寸安装型发电设备。
提高聚合物电解质燃料电池效率的最重要的方法之一是通过向膜-电极组件的聚合物电解质膜提供预定水分以保持水分含量。这是因为当聚合物电解质膜干燥时发电效率迅速降低。
聚合物电解质膜的加湿方法是利用聚合物分离膜将水分供应到流动的气体的膜加湿方法。
膜加湿方法使用仅选择性渗透包含在未反应气体中的蒸汽的膜，由此将包含在未反应气体中的蒸汽供应到聚合物电解质膜。此方法的优点是能够制造重量轻的小尺寸加湿器。
如果用于膜加湿方法的该选择性渗透膜形成模块，则优选使用具有大的单位体积渗透面积的中空纤维膜。就是说，如果用中空纤维膜制造加湿器，则可以高度一体化具有大接触表面积的中空纤维膜，从而即使燃料电池具有小体积，也能得到充分加湿。在此情形中，具有中空纤维膜的加湿器可以由低价材料制造。此外，包含在高温下从燃料电池排出的未反应气体中的水分和热量可以被收集在加湿器中并重新利用。
图1和6图示根据现有技术的用于燃料电池100的加湿器100和300。图1图示管形加湿器100，图6图示方柱形加湿器300。如图1和6所示，用于燃料电池的加湿器100和300包括膜外壳110和310以及一束中空纤维膜120和320。在此情形中，待供应到燃料电池（未示出）的反应气体的第一入口141和341形成在膜外壳110和310的一侧；用于将经加湿的反应气体供应到燃料电池的第二出口152和352形成在膜外壳110和310的另一侧。此外，具有第二入口151和351的第二帽150和350设置在膜外壳110和310的一侧，该第二入口151和351用于从燃料电池排出的含水分的未反应气体；并且具有第一出口142和342的第一帽140和340设置在膜外壳110和310的另一侧，该第一出口142和342用于将通过第二入口151和351供应到膜外壳110和310内的未反应气体排出。同时，多个第二孔112和312形成在膜外壳110和310的外周表面上，在该外周表面处安装有具有第二入口151和351的第二帽150和350。
前述用于燃料电池的加速器100和300的缺点是通过第二入口151和351供应的含水分的未反应气体不能均匀地分配给整束中空纤维膜120和320。就是说，由于所供应的含水分的未反应气体中的大部分保持平直，因此所供应的含水分的未反应气体流集中在多个第二孔112和312中靠近第二入口151和351的孔上。结果是，水分仅供应到在与含水分的未反应气体接触的中空纤维膜的空腔中流动的反应气体，而不供应到在剩余中空纤维膜的中空部分中流动的反应气体。因此，加湿过程很少利用到所述剩余的中空纤维膜，从而降低加湿器100和300的加湿效率。
特别地，如图7所示，与管形加湿器100不同，方柱形加湿器300中不具有障碍物，因此通过第二入口351供应的大部分未反应气体保持平直。因此，未反应气体集中在靠近第二入口351的中空纤维膜处，因此方柱形加湿器300的效率更低。
发明内容
技术问题
因此，考虑到上述问题而提出本发明，并且本发明的一个方面提供一种用于燃料电池的加湿器，其能够防止产生现有技术中的一个或多个问题。
本发明的另一方面提供一种用于燃料电池的加湿器，其通过使设置在加湿器内的所有中空纤维膜的加湿程度均匀来最大化中空纤维膜和供应到燃料电池的反应气体之间的接触面积，能够实现高加湿效率。
本发明的其它优点、目标和特征将在以下描述中部分地进行阐述，并且对于本领域技术人员来说，通过检验以下内容或者从实践本公开来了解而部分地变得显而易见。通过书面说明书和本文的权利要求以及附图中具体指出的结构，可以实现和获得本公开的目标和其它优点。
技术方案
为了实现这些目标和其它优点并与本发明的目的相一致，如这里所具体和概括描述的，提供一种用于燃料电池的加湿器，包括：膜外壳，包括第一端、位于所述第一端的相对侧的第二端和沿所述第二端的外周表面设置的多个孔；中空纤维膜，该中空纤维膜的两端分别装到所述膜外壳的所述第一端和所述第二端，其中，所述中空纤维膜位于所述膜外壳内；以及帽，包括用于含水分未反应气体的入口，其中，所述帽安装在所述膜外壳的所述第二端处，并且所述帽的内表面设置有能够使通过所述入口供应的所述含水分未反应气体均匀地分布到所述多个孔的多个突起。
此时，所述突起与所述膜外壳的所述孔一对一地设置。
此外，所述突起位于所述膜外壳的各个孔的上方。
所述膜外壳形成为管形或多边柱形。
另外，所述多边柱形膜外壳包括内部隔离物。
所述多边柱形膜外壳是方柱形膜外壳。
所述帽包括与所述中空纤维膜的空腔连通的出口，其中，来自所述中空纤维膜的空腔的被加湿反应气体通过所述出口被排出，然后被供应到所述燃料电池。
有益效果
根据本发明的用于燃料电池的加湿器，含水分的未反应气体均匀地供应到加湿器内的所有中空纤维膜，从而可以均匀地加湿穿过加湿器内的中空纤维膜的所有反应气体。因此，根据本发明的用于燃料电池的加湿器可以提高加湿效率。
此外，含水分的未反应气体均匀地供应到加湿器内的所有中空纤维膜，由此防止在一些特定中空纤维膜中产生不平整的污染物，并且可以延长中空纤维膜的更换周期。
附图说明
图1和2是图示根据现有技术的用于燃料电池的管形加湿器的剖视图；
图3至5图示根据本发明一个实施例的用于燃料电池的管形加湿器；
图6和7是图示根据现有技术的用于燃料电池的方柱形加湿器的剖视图；
图8至10图示根据本发明一个实施例的用于燃料电池的方柱形加湿器。
具体实施方式
现在将详细描述根据本发明的优选实施例，其例子在附图中示出。在所有附图中，尽可能相同的附图标记表示相同或相似的部件。
在下文中，将参照附图描述根据本发明的用于燃料电池的加湿器。
图3至5是图示根据本发明一个实施例的管形加湿器200的剖视图和示意图。
管形加湿器200包括两端开口的管形膜外壳210。管形膜外壳210包括位于相对侧的第一和第二端。在此情形中，第一孔211沿第一端的外周形成，并且多个第二孔212沿第二端的外周形成。在膜外壳210中，有一束中空纤维膜220。中空纤维膜220的两端通过罐装材料230被装入膜外壳210的第一和第二端。中空纤维膜220的两端保持打开，从而膜外壳210外的液体流过中空纤维膜220的空腔。此外，由于膜外壳210的两端填充有罐装材料230，因此液体仅经由膜外壳210的第一孔211和第二孔212流入和流出膜外壳210。
第一帽240安装在膜外壳210的第一端处。第一帽240包括第一入口241，用于将反应气体从外部供应到燃料电池内。在此情形中，在第一帽240的内表面和膜外壳210的第一端之间设置密封部分260，由此防止通过第一入口241供应的反应气体经由多个第一孔211流入膜外壳210。就是说，第一帽240的第一入口241仅与中空纤维膜220的空腔连通，从而使得通过第一入口241供应的反应气体仅流入中空纤维膜220的空腔中。
第二帽250安装在膜外壳210的第二端。第二帽250包括第二入口251，用于从燃料电池（未示出）供应含水分的未反应气体。在第二帽250的内表面和膜外壳210的第二端之间设置密封部分260，由此防止通过第二入口251供应的含水分未反应气体流入多个第二孔212。就是说，第二帽250的第二入口251仅与多个第二孔212连通，从而通过第二入口251供应的含水分未反应气体仅经由多个第二孔212流入膜外壳210内。通过多个第二孔212流入膜外壳210内的含水分未反应气体向在中空纤维膜220的空腔中流动的反应气体提供水分。
如图1和2所示，由于现有的管形加湿器100包括沿膜外壳110第二端的外周表面设置的多个第二孔112，因此流入位置靠近第二入口151的第二孔112中的含水分未反应气体的量不同于流入位置远离第二入口151的第二孔112中的含水分未反应气体的量。示出含水分未反应气体的路径是平直的。在这方面，当相对大量的含水分未反应气体流入位置靠近第二入口151的第二孔112中时，相对小量的含水分未反应气体流入位置远离第二入口151的第二孔112中。结果是，大量水分供应到在位于靠近第二入口151的第二孔112下面的中空纤维膜120的空腔中流动的反应气体，并且小量水分供应到在位于远离第二入口151的第二孔112下面的中空纤维膜120的空腔中流动的反应气体。就是说，很少水分供应到在位置相对远离第二入口151的中空纤维膜120的空腔中流动的反应气体。对于向反应气体供应水分的上述过程，位置相对远离第二入口151的中空纤维膜120的利用效率相当低，这会降低加湿器的性能。
同时，如图3至5所示，根据本发明一个实施例的管形加湿器200包括多个突起253，所述突起253沿膜外壳210的第二端外周位于多个第二孔212上方，并且形成在第二帽250的内表面上。多个突起253防止通过第二入口251供应的含水分未反应气体平直地流动，由此含水分的未反应气体与膜外壳210内的所有中空纤维膜220均匀地接触。因此，水分均匀地供应到在中空纤维膜220的空腔中流动的反应气体，由此提高加湿器的加湿效率。
参照图5，对应根据本发明的管形加湿器的剖视图，通过第二入口251供应到加湿器内的含水分未反应气体与在第二帽250的内表面上的突起253碰撞，由此经碰撞的含水分未反应气体从层流改变为紊流，从而防止含水分未反应气体仅流入靠近第二入口251的第二孔212中。由于紊流，含水分未反应气体沿第二帽250的内表面和膜外壳210的外周表面均匀地分布。如果含水分未反应气体均匀地分布到多个第二孔212，那么含水分未反应气体均匀地供应到中空纤维膜220。因此，根据本发明的管形加湿器200提供高加湿效率，并且也防止一些特定的中空纤维膜220比其它中空纤维膜220受到更严重的污染，由此降低加湿器的维护和维修成本。
突起253的形状不限。例如，突起253可以形成为诸如半球、圆锥（roundedcone）和半圆柱（semicircle column）的圆形，或诸如椎体、多边棱锥、球面多边形和多边形柱的有角形状。优选地，突起253形成为适于促进产生紊流且防止一些中空纤维膜220主要被污染的流线形。当突起253位于第二孔212上方时，可以有效地防止未反应气体主要集中在一些中空纤维膜220中。同时，可以在第二帽250的内表面上形成适当数量的的突起253。优选地，突起253与第二孔212一对一地设置，从而使含水分的未反应气体均匀地分布到所有第二孔212。
如上所述，通过第二入口251和多个第二孔212供应到膜外壳210内的含水分未反应气体由于损失其水分而逐渐变干。变干的含水分未反应气体通过第一帽240的第一出口242被排出到外部。
就是说，在膜外壳210中变干的未反应气体通过多个第一孔211排出到膜外壳210外，然后通过第一出口242排出到加湿器200外。密封部分260防止排出到膜外壳210外的未反应气体流入第一入口241。因此，通过多个第一孔211排出的未反应气体仅通过第一出口242排出到加湿器200外部。
当通过第一入口241供应到加湿器200内的反应气体沿中空纤维膜220的空腔流动时，所述反应气体被供应以水分，由此被加湿。第二帽250包括用于将经加湿的反应气体传送到燃料电池的第二出口252。第二出口252与中空纤维膜220的空腔连通，由此从中空纤维膜220的空腔排出的被加湿反应气体通过第二出口252供应到燃料电池。
就是说，位于第二帽250的内表面和膜外壳210之间的密封部分260将第二帽250的内表面和膜外壳210之间的空间划分为第一空间S1和第二空间S2。第一空间S1提供在中空纤维膜220的空腔和第二出口252之间的气体通道，第二空间S2提供在第二入口251和多个第二孔212之间的气体通道。
以相同方式，位于第一帽240内表面和膜外壳210之间的密封件260将第一帽240内表面和膜外壳210之间的空间划分为两个空间，由此提供在第一入口241和中空纤维膜220的空腔之间的气体通道，以及提供在多个第一孔211和第一出口242之间的气体通道。
本发明的另一实施例公开一种诸如方柱形加湿器400的多边柱形加湿器来替代上述管形加湿器200。下面将描述根据本发明另一实施例的方柱形加湿器400。
方柱形加湿器400在结构上与管形加湿器200类似。然而，方柱形加湿器400与管形加湿器200的区别在于，方柱形加湿器400具有方柱形膜外壳410以及帽440和450，所述帽440和450的内部形状为方柱形，以适用于方柱形膜外壳410。
方柱形加湿器400的膜外壳410形成为方柱形，由此使得膜外壳410内高密度地设置有多束多个中空纤维膜420。在此方面，对于高功率燃料电池优选使用方柱形加湿器400，而不是管形加湿器200。
在膜外壳410中，具有用于单独提供多束中空纤维膜420的隔板（未示出）。当中空纤维膜420被隔离物（未示出）划分为多束时，可以缩短经加湿的未反应气体到达位于所述束内部部分的中空纤维膜420之前所消耗的时间，由此改进加湿器的性能。
为了实现更进一步改进的加湿器性能，可以在膜外壳410中安装多个隔离物。如果在膜外壳410中过多地设置隔离物，则会减少中空纤维膜420所占的面积，这会降低加湿器的性能。考虑到加湿器的性能，优选在膜外壳410中安装三至七个隔离物。
在图6和7所示的现有技术的方柱形加湿器300情形中，在具有第二孔312的膜外壳310上平面和第二帽350的面朝内的表面之间存在方柱形通道。因此，通过第二入口351供应的含水分未反应气体平直地流过方柱形通道而没有大的阻力，由此未反应气体集中地流过靠近第二入口351的第二孔312。特别地，与未反应气体流过弯曲通道同时与内表面碰撞的管形加湿器100相比，未反应气体流过方柱形通道的现有技术的方柱形加湿器300具有由集中在一些中空纤维膜320中的未反应气体导致的更严重的问题。
然而，根据本发明的方柱形加湿器400包括在第二帽450的内表面上的多个突起453，其中多个突起453设置在与形成在膜外壳410上侧的多个第二孔412相对应的各个位置。因此，通过第二入口451供应的含水分未反应气体与膜外壳410中的所有多束中空纤维膜420均匀接触。
参照图10，其图示了沿图9的B-B’线截取的方柱形加湿器400的剖面，含水分未反应气体在通过第二入口451被供应到加湿器400内之后，被供应到膜外壳410的第二孔412上方的部分，然后与突起453碰撞。通过与突起453碰撞，未反应气体从层流改变为紊流，由此未反应气体均匀地流到远离第二入口451的第二孔412。结果是，未反应气体均匀地分布到多个第二孔412。根据本发明的方柱形加湿器400通过将含水分未反应气体均匀地分布到多束中空纤维膜420以向反应气体提供水分而提供高加湿效率，并且还防止一些特定的中空纤维膜420比其它中空纤维膜420受到更严重的污染，由此降低加湿器的维护和维修成本。
下面将描述图3至5和图8至10所示的根据本发明实施例的用于燃料电池的加湿器200和400的操作。
待供应到燃料电池的反应气体通过第一入口241和441流入加湿器200和400。同时，从燃料电池排出的含水分未反应气体通过第二入口251和451以及多个第二孔212和412流入膜外壳210和410内。通过第一入口241和441流入的反应气体被传送到成束的中空纤维膜220和420，然后沿中空纤维膜220和420的空腔朝向第二出口252和452移动。
当通过第一入口241和441供应的反应气体处于干燥状态时，通过第二入口251和451以及多个第二孔212和412供应到膜外壳210和410内的未反应气体中包含大量水分，由此导致在中空纤维膜220和420的内侧和外侧之间存在加湿差异。由于中空纤维膜220和420的内侧和外侧之间存在加湿差异，未反应气体中包含的水分选择性地渗透穿过中空纤维膜220和420的空腔；通过中空纤维膜220和420的空腔朝向第二出口252和452移动的反应气体显示高湿度百分比。
同时，从自燃料电池通过第二入口251和451以及多个第二孔212和412供应到膜外壳210和410内的未反应气体中去除水分，由此未反应气体逐渐变干。变干的未反应气体通过多个第一孔211和411以及第一出口242和442排出到加湿器200和400外。
由于上述操作原理，湿度高于其初始湿度的反应气体被供应到燃料电池。
根据本发明的一个实施例，在不同的帽中形成用于接收待供应到燃料电池的反应气体的第一入口241和441以及用于接收来自燃料电池的含水分未反应气体的第二入口251和451。这是为了使包含在未反应气体中的水分充分渗透到位于膜外壳210和410内的中空纤维膜220和420的整个部分。就是说，在反应气体从第一入口241和441移动到第二出口252和452的情形中，靠近第一入口241和441的反应气体具有低湿度百分比。然而，随着反应气体朝向第二出口252和452移动，由于反应气体被持续供应以来自未反应气体的水分，因此反应气体的湿度比率逐渐增加。因此，当具有相对低比率湿度的未反应气体与位于第一入口241和441处的中空纤维膜220和420接触时，具有相对高比率湿度的未反应气体与位于第二出口252和452处的中空纤维膜220和420接触，由此使得水分可以均匀地渗透到中空纤维膜220和420的整个部分。
作为一种选择，在同一帽中可以形成用于接收待供应到燃料电池的反应气体以及用于接收从燃料电池提供的含水分未反应气体的入口。在此情形中，安装在加湿器200和400的相对侧的另一帽可以设置有用于排出经加湿的反应气体以及被去除水分的未反应气体的出口。
根据本发明的用于燃料电池的加湿器200和400能够将含水分的未反应气体均匀地供应到加湿器200和400内的多束中空纤维膜220和400，由此防止在一些特定中空纤维膜中产生不平整的污染物，并且通过延长中空纤维膜的更换周期来降低加湿器的维护和维修成本。
对本领域技术人员来说显然的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种改进和变型。因此，本发明意在涵盖本发明的改进和变型，只要这些改进和变型落在所附权利要求及其等同描述的范围内。
Claims (5)
1.一种用于燃料电池的加湿器，包括：
膜外壳，包括第一端、位于所述第一端的相对侧的第二端和沿所述第二端的外周表面设置的多个孔；
中空纤维膜，该中空纤维膜的两端分别装到所述膜外壳的所述第一端和所述第二端，其中，所述中空纤维膜位于所述膜外壳内；以及
帽，包括用于含水分未反应气体的入口，其中，所述帽安装在所述膜外壳的所述第二端处，并且所述帽的内表面设置有多个突起，所述突起位于所述膜外壳的各个孔的上方，能够使通过所述入口供应的所述含水分未反应气体均匀地分布到所述多个孔，
其中，所述突起与所述膜外壳的所述孔一一对应地设置。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述膜外壳形成为管形或多边柱形。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述多边柱形膜外壳包括内部隔离物。
4.根据权利要求2所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述多边柱形膜外壳是方柱形膜外壳。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述帽包括与所述中空纤维膜的空腔连通的出口，其中，来自所述中空纤维膜的空腔的被加湿反应气体通过所述出口被排出，然后被供应到所述燃料电池。
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