CN103000919B - 用于燃料电池的膜加湿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的膜加湿器，其从膜加湿器的内部的外侧至中心部分均匀地加湿全部中空纤维膜，以改善湿空气和干空气的分布，从而提高加湿性能。该用于燃料电池的膜加湿器包括：中空上壳，其包括第一湿空气入口孔和第一湿空气出口孔；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在上壳内的多个单元膜模块。

Description

用于燃料电池的膜加湿器

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的膜加湿器。更特别地，涉及一种用于燃料电池的膜加湿器，其从膜的外侧到膜加湿器内部的中心部分均匀地加湿整个中空纤维膜，以改善湿空气和干空气的分布，从而提高加湿性能。

背景技术

燃料电池堆的运行需要加湿燃料电池堆中的聚合物电解质膜。因此，燃料电池使用膜加湿器，其通过来自废气(即从燃料电池堆排出的湿空气)的水分与从外部供给的干空气(例如，环境供给的冷空气)之间的水分交换而运行。

存在数种类型的加湿器，例如气泡型加湿器，注入型加湿器，以及使用吸附剂的加湿器。然而，由于燃料电池车辆的封装表面仅有有限的空间，因此在燃料电池中使用不需要专用电源的小型膜加湿器。特别地，使用中空纤维膜的膜加湿器已被合适地用于燃料电池的膜加湿器。

如图5中所示，在向燃料电池系统的燃料电池堆200供给空气(氧气)的空气供给系统中包括膜加湿器100，外部干空气通过鼓风机202的吸入被供给到膜加湿器100，同时从燃料电池堆200排出的废气通过膜加湿器100的内部。此时，当废气中包含的水分通过膜加湿器100内的中空纤维膜时，干空气被加湿。

将参照图6更详细地说明包括中空纤维膜的常规膜加湿器及其运行。如图6中所示，常规的膜加湿器100包括壳体101。壳体101具有用于引入干空气的第一入口102和用于排出被加湿干空气的第一出口103。包括多个密集中空纤维膜106的中空纤维膜束107被收容在壳体101中。此外，壳体101包括用于引入从燃料电池堆排出的湿空气的第二入口104和在相反的另一侧用于排出湿空气的第二出口105。

在运行中，当完全反应并从燃料电池堆排出的排出气体，即湿空气，从壳体101的第二入口104被供给到中空纤维膜束107的一侧时，湿空气中包含的水分通过各中空纤维膜106的毛细管作用被分离，并且分离出的水分在渗透到中空纤维膜106的毛细管中时被冷凝以移动到中空纤维膜106的内部。随后，被分离出水分的湿空气直接沿中空纤维膜106的外侧流动并且通过壳体101的第二出口105被排出。

同时，外部空气(干空气)通过鼓风机的作用力经第一入口102被供给到壳体101，并且经第一入口102供给的外部空气流过中空纤维膜106的内部。此时，由于从湿空气分离出的水分已经流动到中空纤维膜106的内部，因此干空气被水分加湿，并且被加湿的干空气通过第一出口103被供给到燃料电池堆侧。

然而，由于中空纤维膜束107非常紧凑并且其中具有多个密集的中空纤维膜106，因此通过第二入口104引入的湿空气难以渗透进入中空纤维膜束107。此外，湿空气透过中空纤维膜的扩散速率非常低，因此湿空气渗透进入中空纤维膜的内部是非常困难的。

特别地，经过壳体101内的中空纤维膜束107的外侧的湿空气经常不能够渗透进入如图8和9中的虚线所示的壳体101内的中空纤维膜束107的中心部分，而是主要流经如图8和9中的箭头所示的边缘部分。因此，湿空气向中空纤维膜束107的中心部分的扩散速率非常低，从而造成干空气的加湿效率恶化。

此外，由于通过壳体101的第一入口102引入的大量干空气主要流过中空纤维膜束107的中心部分(图6和7中由虚线表示的部分)，因此加湿器内的中空纤维膜未充分利用并且加湿器的总体加湿效率进一步恶化。

因此，由于上述问题，位于中空纤维膜束107的中心部分的中空纤维膜106未能接收足够量的水分，因此恶化了加湿器的总体效率。

这样的问题可通过图8中的模拟实验结果辨明。从图8中可清楚地看到大部分干空气仅流过中空纤维膜束107的中心部分。也就是说，通过壳体101的第一入口102引入的干空气主要流过中空纤维膜束107的中心部分(图6和7中由虚线表示的部分)，并且通过第二入口104引入的湿空气流过中空纤维膜束107的边缘部分。因此，膜加湿器的加湿效率恶化，当干空气的流量增加时，即，从燃料电池堆输出高功率时，会更受影响。

如上所述，供给到膜加湿器的湿空气在燃料电池中的反应后被排出，并且在反应中生成的水和蒸气也与湿空气一起被供给到膜加湿器。因此，在寒冷天气，被引入膜加湿器的水结冰并抑制中空纤维膜适当地执行加湿操作。另外，在寒冷天气，膜加湿器只有在中空纤维膜中冻结的水分融化后才能使用。此外，由于常规膜加湿器的中空纤维膜的表面被反复冻结和融化，因此湿空气主要流过的中空纤维膜束107的外侧，即边缘部分的中空纤维膜被损坏或断开(参见图9)。

参照图9，包括密集中空纤维膜106的中空纤维膜束107被安装在膜加湿器的壳体101内。在这种情况下，中空纤维膜束107的两端通过封装材料108固定于壳体101内部的两端，以便使中空纤维膜束107固定。因此，由于位于湿空气主要流过的中空纤维膜束107的外侧端的封装材料108的损坏或破裂，可发生在外侧的中空纤维膜的断开。

更进一步，如果中空纤维膜的表面被反复冻结和融化至损坏的程度，则损坏的中空纤维膜最终会严重影响燃料电池堆的性能，因此必须更换整个膜加湿器。

另外，在膜加湿器的制造中，膜加湿器的大部分由聚合物材料形成的昂贵的中空纤维膜制成。为了提高加湿性能，不必要地使用更多的中空纤维膜束，结果增加了制造成本。另外，由于使用大量的中空纤维膜束，因此膜加湿器的尺寸与性能相比是不相称的。

此外，由于常规的膜加湿器包括多个中空纤维膜以束的形式收容于其中的单个中空纤维膜模块，因此中空纤维膜在壳体内分布不均匀并且在膜加湿器制造过程中偏向于壳体的一侧(参见图10)。

发明内容

本发明提供了一种用于燃料电池的膜加湿器，其中具有各种不同直径的筒状单元膜模块被收容在膜加湿器的上壳内以改善湿空气和干空气的分布，由此从单元膜模块的外侧至中心部分的干空气整体被均匀地加湿，从而提高了空气加湿性能。

一方面，本发明提供了一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：中空上壳，其包括第一湿空气入口孔或导管和第一湿空气出口孔或导管；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在上壳内的多个单元膜模块。

在一个示例性实施例中，膜模块组件包括至少两个具有不同直径的单元膜模块。膜模块组件包括具有较小直径并布置在上壳的中心部分的单元膜模块，以及随着从上壳的中心至外侧的布置，与布置在上壳的一部分的单元膜模块相比具有逐渐变大的直径的单元膜模块。

在另一示例性实施例中，单元膜模块包括：中空下壳，其包括位于两端的外周部的第二湿空气入口孔和第二湿空气出口孔；以及沿干空气的流动方向纵向收容在中空下壳内的中空纤维膜束。

因此，本发明的用于燃料电池的膜加湿器包括收容在上壳内的具有不同直径的筒状单元膜模块，以便改善湿空气和干空气的分布，从而从膜加湿器的外侧至中心部分均匀地加湿干空气整体，因此提高了车辆的加湿性能。

附图说明

现在将参照附图中示出的某些示例性实施例详细说明本发明的上述和其他特征，附图在下文中仅以例示的方式给出，因此不限制本发明，并且其中：

图1和2为示意性地示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器的透视图；

图3为示意性地示出图1的根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器的截面图；

图4为示意性地示出根据本发明的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器中的湿空气流的图；

图5为示意性地示出燃料电池系统的空气供给系统的图；

图6为示出常规的用于燃料电池的膜加湿器的加湿原理的截面图；

图7为示出常规的用于燃料电池的膜加湿器中的湿空气流的截面图；

图8为解释常规的用于燃料电池的膜加湿器中产生的问题的模拟实验结果图；并且

图9和10为示意性地示出常规的用于燃料电池的膜加湿器的问题的图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其实例在附图中示出并在以下予以说明。

可以理解的是，本文所使用的术语燃料电池“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语一般包括所有类型的燃料电池机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客运车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，飞行器等，并且包括混合动力燃料电池车、电动机动力燃料电池车、辅助插电式燃料电池混合电动车、氢动力燃料电池车和其他替代的燃料电池车(例如，从石油以外的资源取得的燃料)。

如已参照图6所述，常规的用于燃料电池的膜加湿器使用其中安装的中空纤维膜束107通过水分交换加湿干空气。在这种情况下，干空气(外部空气)主要沿布置在中空纤维膜束107的中心部分的中空纤维膜的内部流动，并且在反应后从燃料电池堆排出的湿空气主要沿布置在中空纤维膜束107的外侧的中空纤维膜的外表面流动。如此，常规的用于燃料电池的膜加湿器具有结构性失衡，其不可避免地造成干空气与湿空气之间的接触程度降低，从而导致中空纤维膜的使用恶化以及加湿器的加湿效率降低。

因此，本发明包括在膜加湿器的上壳10内的具有各种不同直径的筒状单元膜模块16、17和18，以引导湿空气从上壳10的外侧至中心部分顺畅地流过加湿器整体，并且引导干空气流动至上壳10的外侧，从而提供中空纤维膜的均匀加湿。

为此目的，根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器包括中空上壳10和沿干空气的流动方向纵向收容在上壳10内的多个单元膜模块16、17和18。单元膜模块16、17和18以束的形式收容在上壳10内以形成膜模块组件15。各单元膜模块16、17和18通过在下壳20内安装中空纤维膜束23并将中空纤维膜束23模块化成筒状而形成，并且多个单元膜模块16、17和18被安装在上壳10内。安装在上壳10内的多个单元膜模块16、17和18，即膜模块组件15包括至少两个具有不同直径的单元膜模块16、17和18。

优选地，膜模块组件15包括单元膜模块16，其与更朝向组件15的外表面定位的单元膜模块相比具有较小的直径。这些较小直径的模块布置在上壳10的中心部分。单元膜模块17和18具有随着单元膜模块从上壳10的中心部分至外侧的布置而逐渐变大的直径。

以下，将详细说明包括具有三种不同直径的单元膜模块的膜模块组件的实施例。

如图1至3中所示，根据本发明的实施例的膜加湿器包括中空上壳10和安装在上壳10内的膜模块组件15。膜模块组件15包括多个束状的单元膜模块16、17和18。各单元膜模块16、17和18包括中空下壳20和沿干空气的流动方向纵向收容在下壳20内的中空纤维膜束23。

也就是，膜模块组件15包括多个具有不同直径的单元膜模块16、17和18。具体地，膜模块组件15包括布置在上壳10的中心部分的第一膜模块16，周向布置在上壳10的外侧的第三膜模块18，以及周向布置在第一膜模块16与第三膜模块18之间的第二膜模块17。

与第二膜模块17和第三膜模块18相比，第一膜模块16被配置为具有最小的直径，并且第二膜模块17与第三膜模块18相比具有较小的直径。

也就是，在膜模块组件15中，在安装在上壳10内的单元膜模块16、17和18中，具有最小直径的单元膜模块16布置在上壳10的中心部分，并且单元膜模块具有随着从上壳10的中心部分至外侧的布置而逐渐变大的直径。

因此，被鼓风机引入的干空气被引导至具有较大直径的膜模块(与具有较小直径的另一单元膜模块相比，其包括更多的中空纤维膜)所位于的外侧，并且主要流过上壳10的中心部分的干空气被分布-引导至上壳10的外侧，使得干空气的分布能够被改善。

此外，被引入上壳10内的湿空气在周向布置为束状的单元膜模块16、17和18之间流动，以被输送至位于上壳10的中心部分以及上壳10的外侧的单元膜模块。因此，湿空气被供给到全部单元膜模块16、17和18使得湿空气的分布被改善，并且被供给到各单元膜模块16、17和18的湿空气中所包含的水分通过安装在下壳20内的中空纤维膜24的毛细管作用被分离从而流入中空纤维膜24。

流入中空纤维膜24的水分加湿流过中空纤维膜24的内部的干空气。因此本发明能够解决当主空气流通过中空纤维膜束的中心部分并且主湿空气流通过中空纤维膜束的外侧时所引起的问题，因此引导上壳10内的单元膜模块16、17和18内收容的全部中空纤维膜24的均匀加湿，从而提高加湿性能。

作为参考，尽管未示出，单元膜模块16、17和18可通过封装材料固定于上壳10的内部。封装材料用于将中空纤维膜束固定于中空纤维膜模块的内部。

同时，如图2中所示，为了引入和排出湿空气，上壳10包括在周向在其两端外侧的多个第一湿空气入口孔11和多个第一湿空气出口孔12，并且下壳20包括在周向在其两端外周部的多个第二湿空气入口孔21和多个第二湿空气出口孔22。

特别地，多个第二湿空气入口孔21和多个第二湿空气出口孔22周向形成在下壳20的两端，并且沿预定区段在下壳20的纵向或竖直方向还形成多行。

在具有前述结构的膜加湿器的运行过程中，在反应后从燃料电池堆排出的湿空气被引入壳体10的第一湿空气入口孔11以经过单元膜模块16、17和18之间的空间，然后湿空气流过位于上壳10的外侧的单元膜模块直至位于上壳10的中心部分的单元膜模块，从而贯穿整个上壳10的内部均匀地输送干空气和湿空气。

如图4中所示，输送至各单元膜模块16、17和18的湿空气通过下壳20的第二湿空气入口孔21被引入，使得湿空气中包含的水分能够通过所包括的中空纤维膜24的毛细管作用被分离，并且分离出的水分在经过中空纤维膜24的毛细管时被冷凝从而流入中空纤维膜24中。

同时，当外部空气(干空气)通过鼓风机的作用力被引入上壳10内时，通过在上壳10两端部中一端的开口13引入的干空气被分布-引导至具有大直径的单元膜模块所位于的外侧，以便从上壳10的中心部分至外侧均匀地分布且流动，并被引入各单元膜模块16、17和18的中空纤维膜24以便沿中空纤维膜24的内部流动。

由于从湿空气分离出的水分已流入中空纤维膜24，因此干空气被分离出的水分加湿，并且被加湿的干空气通过在上壳10两端部中另一端的开口14排出以被供给到燃料电池堆的一侧。被分离出水分的湿空气沿单元膜模块16、17和18的中空纤维膜束23的外侧流动并通过下壳20的第二湿空气出口孔22排出，从而通过上壳10的第一湿空气出口孔12被排出到大气。

因此，本发明的用于燃料电池的膜加湿器具有以下效果。

1.具有各种不同直径的筒状单元膜模块被收容在上壳内，并且单元膜模块具有随着模块从上壳的中心部分至外侧的布置而逐渐变大的直径。因此，湿空气和干空气的分布被改善，使得整个中空纤维膜被均匀加湿，因此膜的利用增加并且加湿性能提高。

2.通过湿空气分布的改善，本发明防止了在常规膜加湿器中由于经过中空纤维膜束的外侧的主湿空气流而引起的外侧中空纤维膜的损坏或断开。

3.在常规的膜加湿器中，多个中空纤维膜被收容在壳体内呈一大束的形状，从而防止中空纤维膜的均匀分布，例如其偏向壳体的一侧(参见图10)。然而，在本发明的膜加湿器中，包括小束状中空纤维膜束的多个筒状单元膜模块被收容在上壳内，使得在制造膜加湿器过程中全部中空纤维膜能够均匀分布，从而解决了常规的中空纤维膜的非均匀分布的问题。

4.在由于中空纤维膜的损坏或断开而发生问题的情况下，可仅替换包括有问题的中空纤维膜的单元膜模块，从而极大地降低了单元膜模块的替换成本。

5.由于加湿性能的提高，能够减少在制造膜加湿器过程中所使用的中空纤维膜的条数，与常规膜加湿器相比节约了制造成本，并且减小了膜加湿器的尺寸，从而具有比常规技术更有效的封装部件。

6.本发明使用筒状单元膜模块改善湿空气的分布，从而降低了作用于加湿器内的单元膜模块的压降量，因此降低了鼓风机的负载。

为了解释和说明的目的，已经给出了关于本发明的具体示例性实施例的前述说明。该说明并非意在穷举或将本发明限制于所公开的确切形式，并且在上述教导的启示之下，显然多种改型或变形是可能的。选择和说明示例性实施例是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够实现和利用本发明的各种示例性实施例及其各种替换形式和改型。本发明的范围应由所附权利要求及其等效形式来限定。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：

中空上壳，其包括多个第一湿空气入口孔和多个第一湿空气出口孔；以及

膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在所述中空上壳内的彼此分开的多个单元膜模块，

其中所述多个单元膜模块的每个包括中空下壳，所述中空下壳围绕沿干空气的流动方向纵向收容在所述下壳内的中空纤维膜束，且

所述多个单元膜模块被分开，以在所述中空上壳内的所述多个单元膜模块的每个之间形成空间。

2.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述膜模块组件包括至少两个具有不同直径的单元膜模块。

3.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述膜模块组件包括具有较小直径且布置在所述上壳的中心部分的单元膜模块，以及随着从所述上壳的中心至外侧的布置，与布置在所述上壳的中心部分的单元膜模块相比具有逐渐变大的直径的单元膜模块。

4.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空下壳包括位于两端的外周部的第二湿空气入口孔和第二湿空气出口孔。

5.一种燃料电池的空气供给系统，包括：

配置成向所述空气供给系统供给干空气的鼓风机；

配置成加湿由所述鼓风机供给的干空气的膜加湿器组件，所述膜加湿器组件包括：中空上壳，其包括多个第一湿空气入口孔和多个第一湿空气出口孔；和膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在所述中空上壳内的彼此分开的多个单元膜模块；以及

配置成接收来自所述膜加湿器组件的被加湿空气并在反应后向所述膜加湿器组件供给湿空气的燃料电池堆，

其中所述多个单元膜模块的每个包括中空下壳，所述中空下壳围绕沿干空气的流动方向纵向收容在所述下壳内的中空纤维膜束，且

所述多个单元膜模块被分开，以在所述中空上壳内的所述多个单元膜模块的每个之间形成空间。

6.如权利要求5所述的燃料电池的空气供给系统，其中所述膜模块组件包括至少两个具有不同直径的单元膜模块。

7.如权利要求5所述的燃料电池的空气供给系统，其中所述膜模块组件包括与膜模块组件中的其他单元膜模块相比具有较小直径并且布置在所述上壳的中心部分的单元膜模块，以及与布置在所述上壳的中心部分的所述单元膜模块相比具有逐渐变大的直径的多个其他单元膜模块，其中所述多个单元膜模块的直径分别从所述上壳的中心至外侧增大。

8.如权利要求5所述的燃料电池的空气供给系统，其中所述中空下壳包括位于两端的外周部的第二湿空气入口孔和第二湿空气出口孔。