CN102834958A - 用于燃料电池的加湿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池的加湿器，其通过经由防止被引入膜外皮内的高湿度未反应气体集中流向膜外皮中的特定区域来在所有中空纤维膜中均匀地加湿，有助于最大化加湿性能和降低维护成本，其中，所述加湿器包括：膜外皮；用于将所述膜外皮的内部空间划分为多个单位空间的隔板；在每个所述单位空间中的多个中空纤维膜；以及安装在所述膜外皮的端部的盖，所述盖包括用于将从排气管排出的高湿度未反应气体引入所述膜外皮的入口，在所述膜外皮中设置多个分配孔，所述分配孔分别与所述单位空间相对应。

Description

用于燃料电池的加湿器

技术领域

本发明涉及一种加湿器，更具体地，涉及一种有助于提高加湿性能的用于燃料电池的加湿器。

背景技术

燃料电池是通过结合氢和氧来产生电的电化学电池。与诸如干电池或蓄电池的一般化学电池不同，只要供应所需的氢和氧，燃料电池就可以连续产生电。此外，燃料电池没有热损失，因而燃料电池的效率高达内燃机效率的二倍。此外，由于燃料电池将结合氢和氧而产生的化学能直接转化为电能，因此燃料电池是环境友好的，并且能够在不担心矿物燃料耗尽的情况下进行工作。

根据电解质类型，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和碱性燃料电池。

改进聚合物电解质燃料电池性能的最重要因素之一是通过将预定的水分供应到膜电极组件的聚合物电解质膜来保持水分含量。这是因为产生电的效率随着聚合物电解质膜的干燥迅速降低。

一种加湿聚合物电解质膜的方法是通过使用聚合物分离膜向干燥的反应气体供应水分的膜加湿方法。

该膜加湿方法使用仅选择性渗透包含在未反应气体中的水汽的膜，由此将包含在未反应气体中的水汽供应到聚合物电解质膜。该方法的优点是可以制造重量轻的小尺寸加湿器。

如果用于膜加湿方法的选择性渗透膜形成模块，则优选使用单位体积的渗透面积大的中空纤维膜。就是说，如果用中空纤维膜制造加湿器，则可以高度集成接触表面积大的中空纤维膜，从而，即使具有小体积的燃料电池也可以被充分加湿。在此情形中，可以用价格低的材料制造具有中空纤维膜的加湿器。此外，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再次使用。

图10和11图示根据现有技术的用于燃料电池的加湿器。根据现有技术的用于燃料电池的加湿器包括：膜外皮210，在该膜外皮中集成多束中空纤维膜270，以向流过空腔的反应气体供应水分；用于引入高湿度的未反应气体的第二入口221；以及用于排出未反应气体的第二出口（未示出）。

然而，对于根据现有技术的用于燃料电池的加湿器，被引入膜外皮210内的高湿度未反应气体集中流向压力最小的区域，即中空纤维膜的非密集的区域。因此，水分仅被顺利地供应到流过与高湿度未反应气体充分接触的中空纤维膜220的反应气体。同时，水分未被供应到流过未与高湿度未反应气体接触的中空纤维膜220的反应气体。因此，在根据现有技术的用于燃料电池的加湿器中，加湿性能下降。此外，由于高湿度未反应气体的分布不平均，因此很难使高湿度未反应气体与各个中空纤维膜220均匀接触，这会导致中空纤维膜220之间的污染程度存在很大差异，从而缩短中空纤维膜220的更换周期。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面提供一种用于燃料电池的加湿器，其防止被引入膜外皮内的高湿度未反应气体以在膜外皮中不均匀分布的方式流动。

技术方案

为了达到这些目的和其它优点并与本发明的目标相一致，如这里所具体和概括描述地，提供一种用于燃料电池的加湿器，包括：膜外皮；用于将所述膜外皮的内部空间划分为多个单位空间的隔板；在每个所述单位空间中的多个中空纤维膜；以及安装在所述膜外皮的端部的盖，所述盖包括用于将从排气管排出的高湿度未反应气体引入所述膜外皮的入口，其中，在所述膜外皮中设置多个分配孔，所述分配孔分别与所述单位空间相对应。

有益效果

根据本发明的用于燃料电池的加湿器，高湿度未反应气体与加湿器内的所有中空纤维膜均匀接触，这可以均匀地加湿穿过加湿器内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能够提高加湿效率。

此外，高湿度未反应气体被均匀地供应到加湿器内的所有中空纤维膜，从而可以防止中空纤维膜之间的污染程度存在大的差异，由此可以延长中空纤维膜的更换周期。

附图说明

图1是图示根据本发明一个实施例的用于燃料电池的加湿器的分解透视图；

图2是图示根据本发明一个实施例的隔板的各种例子的平面图；

图3是图示根据本发明另一实施例的用于燃料电池的加湿器的分解透视图；

图4（a）是图3中的膜外皮的平面图，图4（b）是图3中的膜外皮的后视图；

图5是沿图3的I-I线截取的剖视图；

图6是图示根据本发明另一实施例的具有隔板的膜外皮的透视图；

图7是根据本发明另一实施例的沿图3的I-I线截取的剖视图；

图8和9是图示根据本发明另一实施例的膜外皮的透视图；

图10是图示根据现有技术的用于燃料电池的加湿器的分解透视图；

图11是沿图10的I-I线截取的剖视图。

具体实施方式

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，只要它们落在所附权利要求及其等同物的范围内。

分析显示导致进入膜外皮内的高湿度未反应气体分布不均匀的原因为以下两个因素。

第一个因素是中空纤维膜之间不均匀的区域分布所导致的沟流（channeling）现象。在将中空纤维膜装入膜外皮的过程中不可避免地发生此沟流现象。就是说，在装入中空纤维膜的过程中，由于所施加的力不平衡，会存在中空纤维膜220的非密集区域和高度密集区域。因此，当高湿度未反应气体集中流过中空纤维膜220的非密集区域时，高湿度未反应气体不流过中空纤维膜220的高度密集区域，由此显著降低加湿性能。

第二个因素是用于排出未反应气体的出口的位置。大多数用于燃料电池的加湿器形成为根据系统结构布置它们的入口和出口。即使高湿度未反应气体经由入口均匀地分布在膜外皮内，也会由于向特定侧面倾斜的出口而存在压力差，这导致气流分布不均匀。因此，由于压力差而不能充分加湿远离出口的中空纤维膜，从而降低加湿效率。

本发明的一个方面提供一种用于燃料电池的加湿器，其通过防止膜外皮中的未反应气体不适当地流动从而有助于提高加湿效率，下面将对此进行解释。

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1是图示根据本发明一个实施例的用于燃料电池的加湿器的分解透视图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的用于燃料电池的加湿器包括具有第一端和第二端的膜外皮310。在膜外皮310的第一端有分配孔311。在位置与第一端相反的第二端有排放孔312。此外，预定的空间形成在膜外皮310内。膜外皮310的此内部空间能够将中空纤维膜集成在其中。为了将高湿度未反应气体供应到集成在膜外皮310内的中空纤维膜370，在膜外皮310的第一端的下部和上部中形成多个分配孔311。在将包含在未反应气体中的水分供应到中空纤维膜370之后，经由在膜外皮310的第二端的下部和上部中的多个排放孔312将干燥的未反应气体排到外部。

分别将中空纤维膜370的两端装入膜外皮310的两端。中空纤维膜370的两端保持开口，从而使得膜外皮310外的流体流过中空纤维膜370的空腔。此外，由于膜外皮310的两端被装入，因此流体仅经由分配孔311和排放孔312流入和流出膜外皮310。此外，中空纤维膜370具有预定直径的气孔，从而中空纤维膜370的气孔选择性地允许在中空纤维膜370外流动的高湿度未反应气体的水分进入中空纤维膜370内。

膜外皮310的第一端覆盖有第一盖320。第一盖320设置有用于引入从排气管（stack）排出的高湿度未反应气体的第二入口321。当经由第二入口321引入的高湿度未反应气体在膜外皮310外流动时，所述高湿度未反应气体经由分配孔311流入膜外皮310内。在第一盖320的内表面和膜外皮310的第一端之间设置密封部（未示出），由此使得高湿度未反应气体通过多个分配孔311只流入膜外皮310内。就是说，如果第一盖320的第二入口321设置为仅与多个分配孔311连通，则经由第二入口321引入的高湿度未反应气体仅经由多个分配孔311流入膜外皮310内。

在参照图10和11的现有技术中，高湿度未反应气体集中流过中空纤维膜270的非密集区域，因此加湿效率降低。此外，由于出口朝向特定侧面倾斜，使得存在压力差，这会导致气流分布不均匀。因此，由于压力差而不能充分加湿远离出口的中空纤维膜，由此降低加湿效率。

然而，根据本发明的用于燃料电池的加湿器包括设置在膜外皮310内的隔板360。由于隔板360，膜外皮310的内部被划分为多个单位空间。中空纤维膜370被分组并集成在各个单位空间中。就是说，每个单位空间被用作加湿器。

高湿度未反应气体经由膜外皮310第一端处的多个分配孔311被引入各个单位空间。在经由膜外皮310第二端处的排放孔312排出所引入的高湿度未反应气体之前，所述高湿度未反应气体保持在各个单位空间中。因此，在根据本发明的用于燃料电池的加湿器中，即使膜外皮310内的中空纤维膜之间产生密集差异以及在膜外皮310中产生压力差，被引入的高湿度未反应气体也可以均匀地流过各个单位空间，从而向中空纤维膜370均匀地提供水分和热量，由此最大化加湿效率。

隔板360的厚度是中空纤维膜370平均直径的1至10倍。如果隔板360太薄，则由于耐用性降低而不能长期使用。同时，如果隔板360太厚，则由于集成效率降低而使经济效益明显下降。

图2是图示根据本发明一个实施例的隔板的平面图。

如图2所示，隔板360可以是没有通孔的闭合型。如果在膜外皮310中形成闭合型隔板360，则所供应的未反应气体仅流过各个单位空间。

隔板360的通孔的形状可以改变，例如，孔型或网型，其中，孔的类型可以是圆形孔、椭圆形孔、多边形孔、狭槽形孔和斜狭槽中的至少一种。然而，隔板360的通孔不限于这些形状。

如果在隔板360中形成通孔，则各个单位空间通过通孔相连接，从而未反应气体流过多个单位空间而不是保持在各自的单位空间中。因此，可以防止未反应气体仅流过并保持在膜外皮310内的一些单位空间中。

为了防止气流在膜外皮310中分布不均匀，理想的是被隔板360划分的单位空间的数量越多越好。然而，考虑到膜外皮310的制造过程和成本，膜外皮310优选包括2至9个单位空间。

如图1所示，隔板360可以包括第一板360a或第二板360b。第一板360a和第二板360b可以互相垂直。

图3是图示根据本发明另一实施例的用于燃料电池的加湿器的分解透视图。图4（a）是图3中的膜外皮的平面图，图4（b）是图3中的膜外皮的后视图。图5是沿图3的I-I线截取的剖视图。

可以在隔板360的至少一部分中形成双隔层361。例如，如图3至5所示，可以在隔板360的两端形成双隔层361。如果将两端形成有双隔层361的隔板360设置在膜外皮310中，则可以在双隔层361端部处设置密封件以防止气体渗透。

可以在至少一个双隔层361中形成窗口363。由于窗口363，双隔层361的内部空间被设置为与膜外皮310内的各个单位空间连通。设置在双隔层361中的窗口363使得高湿度未反应气体可以自由地流过双隔层361的内部空间和膜外皮310内的各个单位空间。因此，高湿度未反应气体均匀地流过膜外皮310的整个区域而不会集中流入膜外皮310的一些区域。

图6是图示根据本发明另一实施例的具有隔板的膜外皮的透视图。如图6所示，在膜外皮310的与隔板360接触的各个部分形成第一和第二孔，其中，所述第一和第二孔在其间插置隔板360的情形下互相面对。为了使第一和第二孔互相连接，可以在隔板360内形成贯穿通道362。由于隔板360的贯穿通道362和与贯穿通道362连接的第一和第二孔，使得高湿度未反应气体自由地流过膜外皮310的下部和上部。因此，高湿度未反应气体可以均匀地流过膜外皮310外的整个区域。例如，如果膜外皮310上部的高湿度未反应气体过多，则所述高湿度未反应气体经由与膜外皮310的第一和第二孔连接的贯穿通道362流向膜外皮310的下部，从而高湿度未反应气体均匀地流过膜外皮310的整个区域。

如图3至5所示，穿过双隔层361的内部形成贯穿通道362。由于双隔层361的贯穿通道362，高湿度未反应气体更自由地流过膜外皮310的下部和上部。因此，高湿度未反应气体可以更均匀地流过膜外皮310外的整个区域。

可以在隔板360中形成窗口363，其中，贯穿通道362被设置为利用窗口363与单位空间连通。设置在隔板360中的窗口363使得高湿度未反应气体可以自由地流过膜外皮310内的各个单位空间。因此，高湿度未反应气体更均匀地流过膜外皮310的整个区域。

图7是根据本发明另一实施例的沿图3的I-I线截取的剖视图。对于现有技术情形，如图10和11所示，高湿度未反应气体集中流过位置靠近第二入口221的分配孔211，从而降低加湿性能，并且导致中空纤维膜270之间的污染程度有很大不同。

然而，如图7所示，根据本发明的加湿器可以包括在第一盖320内表面上的突起322。突起322阻挡经由第二入口321引入的高湿度未反应气体沿直线流动，由此防止高湿度未反应气体只集中流过位置靠近第二入口221的分配孔211。就是说，高湿度未反应气体均匀地流过膜外皮310外的整个区域，由此将高湿度未反应气体均匀地供应到膜外皮310的整个内部。因此，为集成在膜外皮310内的各个中空纤维膜370均匀地供应水分，由此提高加湿性能，并且防止中空纤维膜370之间的污染程度存在大的差异。

突起322不限于特定形状。例如，突起322可以形成为诸如圆柱形、半球形或具有弧形顶部的圆锥的弯曲形状，或者可以形成为诸如多棱锥、圆锥或多棱柱的有角形状。优选地，突起322形成为能够容易地产生涡流而不会阻碍气流的流线形。

突起322位于分配孔311上方，由此有效地防止未反应气体流分布不均匀。可以在第一盖320的内表面上适当地形成多个突起322。优选地，突起322可以被布置为与分配孔311一对一对应，这使得高湿度未反应气体可以均匀地流过各个分配孔311。

图8和9是图示根据本发明另一实施例的膜外皮310的透视图。根据本发明的用于燃料电池的加湿器可以包括被塑形为图8的圆柱形的膜外皮310，或者被塑形为图9的八棱柱形的膜外皮310。特别地，如图9所示，对于具有八边形横截面的用于燃料电池的加湿器，双隔层361和贯穿通道362形成在八边形的每一侧，并且窗口363形成在每个双隔层361中，从而高湿度未反应气体均匀地流过膜外皮310的整个内部。

以上用于燃料电池的加湿器可以形成为各种多棱锥形状，例如，三棱锥、五棱锥或六棱锥，或者可以形成为椭圆形圆柱，但是，其形状不限于这些形状。

第二盖330在膜外皮310的第二端处，所述第二盖330包括用于将干燥的未反应气体排出到外部的第二出口331。第二出口331可以形成在第二盖330的下侧，并且第二出口331可以被塑形为矩形。

密封件（未示出）被安装在第二盖330的内表面和膜外皮310的第二端之间，从而仅经由第二出口331排出干燥的未反应气体。

第一盖320的端部覆盖有包括第一出口351的第一帽350。这里，被供应以来自中空纤维膜370的水分的反应气体经由第一出口351被排出，然后被供应到燃料电池。

第二盖330的端部覆盖有包括第一入口341的第二帽340。反应气体经由第一入口341进入。

下面将详细描述根据本发明一个实施例的用于燃料电池的加湿器的操作。

当待供应到燃料电池的反应气体经由第一入口341流入加湿器时，从排气管排出的高湿度未反应气体经由第二入口321流入第一盖320内。被引入的高湿度未反应气体与突起322碰撞，由此高湿度未反应气体经由分配孔311均匀地流入膜外皮310内。

高湿度未反应气体经由与膜外皮310的第一和第二孔连接的贯穿通道362流过双隔层361内部。此外，高湿度未反应气体经由设置在双隔层361每侧中的窗口363自由地流过膜外皮310内的各个单位空间，从而高湿度未反应气体均匀地流过膜外皮310的整个区域。

经由第一入口341引入的反应气体流过中空纤维膜370的空腔，然后流动的反应气体经由第一出口351被供应到燃料电池。经由第一入口341引入的反应气体处于干燥状态。然而，由于引入膜外皮310内的未反应气体包含大量水分，因此中空纤维膜370内部和中空纤维膜370外部之间存在湿度差。由于中空纤维膜370内部和中空纤维膜370外部之间的湿度差，未反应气体的水分选择性地渗透过中空纤维膜370，然后水分被供应到流过中空纤维膜370的空腔的反应气体。

如果利用中空纤维膜370将未反应气体的水分供应到反应气体，则未反应气体逐渐干燥。然后，经由多个排出孔312和第二出口331将干燥的未反应气体排出到加湿器外部。

最后，基于上述方法，燃料电池被供应以湿度高于其初始状态的反应气体。

根据本发明的用于燃料电池的加湿器，包含水分的未反应气体被均匀地供应到加湿器内的中空纤维膜370，这能够保持中空纤维膜370之间的污染程度类似。因此，通过使中空纤维膜370的污染延期来延长中空纤维膜370的更换周期，由此降低加湿器的维护成本。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池的加湿器，包括：

膜外皮；

用于将所述膜外皮的内部空间划分为多个单位空间的隔板；

在每个所述单位空间中的多个中空纤维膜；以及

安装在所述膜外皮的端部的盖，所述盖包括用于将从排气管排出的高湿度未反应气体引入所述膜外皮的入口，

其中，在所述膜外皮中设置多个分配孔，所述多个分配孔分别与所述多个单位空间相对应。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述隔板包括第一子板和第二子板，并且所述第一子板和第二子板互相交叉。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述隔板设置有贯穿孔，从而使得所述单位空间彼此流体连通。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，在所述盖的内表面上形成多个突起，以便将经由所述盖的所述入口引入的所述未反应气体均匀地分配到各个单位空间中。

5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的用于燃料电池的加湿器，

其中，第一孔和第二孔形成在所述膜外皮的各个部分中，这些部分与所述隔板接触，并且所述第一孔和所述第二孔在所述隔板插置在其间的情形下互相面对，并且

其中，贯穿通道形成在所述隔板内，从而使得所述第一孔和所述第二孔彼此流体连通。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述隔板设置有使得所述贯穿通道和所述单位空间能够彼此流体连通的窗口。

7.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述隔板的至少一部分具有双隔层结构。

8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的加湿器，其中，窗口形成在所述双隔层结构的至少一个隔层中。

9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿器，其中，所述隔板的厚度是所述中空纤维膜的平均直径的1至10倍。

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