CN103069222B - 燃料电池加湿器 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有增强加湿性能的燃料电池加湿器，该加湿器能够防止在高速时功率瞬间减小。本发明的燃料电池加湿器包括：具有第一和第二末端部分的膜外壳；位于膜外壳的内部空间中的中空纤维膜束，并且中空纤维膜束的两个末端被分别装在膜外壳的第一和第二末端部分中；位于膜外壳内部空间中的湿度保持器；安置在膜外壳的第一末端部分的第一覆盖单元，该第一覆盖单元具有用于引入从排气管排放的高湿度非反应气体的入口；以及安置在膜外壳的第二末端部分的第二覆盖单元，该第二覆盖单元具有用于排放用来加湿的非反应气体的出口。

Description

燃料电池加湿器

技术领域

本发明涉及一种燃料电池加湿器，以及特别地，涉及一种具有增强的加湿性能的燃料电池加湿器。

背景技术

燃料电池是一种电化学电池，该电池通过氢和氧的结合发电。不同于一般的化学电池，如干电池或蓄电池，只要供应氢和氧，燃料电池就能够连续地发电。另外，在燃料电池内几乎没有热损耗，这使得燃料电池的效率是内燃机效率的两倍。此外，由于燃料电池把氢和氧结合产生的化学能直接转换成电能，所以燃料电池是环境友好的以及能够减缓化石燃料枯竭的问题。

根据电解质类型，燃料电池可以被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、固态氧化物燃料电池、以及碱性燃料电池。

提高聚合物电解质燃料电池的性能的最重要因素之一是通过向膜连续地供应预定量的水分来保持膜电极组件的聚合物电解质膜中的湿度大小。这是因为当聚合物电解质膜变干时，燃料电池的发电效率迅速降低。

用于加湿聚合物电解质膜的各种方法之一是使用用于向干燥反应气体供应水分的聚合物隔离膜的方法。

膜加湿法使用只允许包含在排出气体中的水蒸气通过的膜，由此将水蒸气供应到聚合物电解质膜。这种方法的优点在于能够制造小尺寸和轻重量的加湿器。

对于用于膜加湿法的膜，优选地使用当应用到模块中时能够提供大的单位体积渗透面积的中空纤维膜。即是，当用中空纤维膜制造加湿器时，具有大的接触表面积的中空纤维膜能够被高度集成，以使得即使是小体积，燃料电池也可以被充分地加湿。中空纤维膜能够由廉价材料形成。同时，包含在以高温从燃料电池排出的非反应气体中的水分和热量能够通过加湿器被有利地收集和再利用。

通常，燃料电池加湿器包括：膜外壳，一束中空纤维膜被集成在膜外壳中以向流过空腔（hollow）的反应气体供应水分；用于引入高湿度的非反应气体的入口；以及用于排放该气体的出口。

然而，由于结构原因，根据相关技术的用于加湿器的中空纤维膜不能包含足够的水分。这样，如果在驾驶汽车时由于突然加速使得气体注入的速度升高，反应气体不能迅速地被加湿。因此，湿度不够的气体从加湿器供应到燃料电池，这导致燃料电池系统的输出瞬间减小。

为了克服这类问题，已经提出了增加中空纤维膜的厚度以增加中空纤维膜中湿度含量的方法。然而，中空纤维膜的增加的厚度导致水分转移的困难，从而导致如加湿性能降低的有害影响。

发明内容

技术问题

本发明的一个方面是提供一种具有增强加湿性能并因此能够防止在高速驾驶时发生的汽车输出瞬间减小的燃料电池加湿器。

技术方案

为了达到这些目的和其他优点以及结合本发明的目的，如在此具体和概括描述的，提供了一种燃料电池加湿器，包括：具有第一和第二末端的膜外壳；设置在膜外壳的内部空间中的一束中空纤维膜，其中中空纤维膜的两个末端分别被装入膜外壳的第一和第二末端中；设置在膜外壳的内部空间中的湿度保持器；安置在膜外壳的第一末端上的第一覆盖物，该第一覆盖物包括用于引入从排气管中排放的高湿度的非反应气体的入口；和布置在膜外壳的第二末端上的第二覆盖物，该第二覆盖物包括用于排放用来加湿的非反应气体的出口。

有益效果

根据本发明，燃料电池加湿器包括能够包含大量水分的湿度保持器。因此，即使当汽车瞬间加速时，也能给燃料电池供应足够量的水分。

此外，根据本发明的加湿器设置有在膜外壳内部的隔板，由此高湿度的非反应气体能够均匀地供应到膜外壳内部的全部中空纤维膜。

附图说明

图1是图示根据本发明一个实施例的燃料电池加湿器的示意图；

图2是沿图1的I-I’线截取的剖视图。

具体实施方式

对本领域的技术人员显而易见的是，在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因此，本发明意在包含本发明的修改和变型，只要它们落在所附权利要求及其等同物的范围内。

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的燃料电池加湿器。

图1是图示根据本发明一个实施例的燃料电池加湿器的示意图。

如图1所示，根据本发明的燃料电池加湿器包括具有第一和第二末端的膜外壳310。在膜外壳310的第一末端具有第一孔311。在与第一末端相对的第二末端具有第二孔312。膜外壳310具有内部空间。

中空纤维膜370被集成在膜外壳310的内部空间中。中空纤维膜370的两个末端分别被装入膜外壳310的第一和第二末端。中空纤维膜370的两个末端保持打开以使得膜外壳310外的流体能够被引入到中空纤维膜370的空腔中，并流过空腔，然后流出膜370。

为了将高湿度的非反应气体供应到膜外壳310内部的中空纤维膜370，多个第一孔311形成在膜外壳310的第一末端的上部和下部。在包含在非反应气体中的水分被供应到中空纤维膜370之后，变干燥的非反应气体通过在膜外壳310的第二末端的上部和下部的第二孔312被排放到膜外壳310的外部。

当待供应到燃料电池的反应气体流过空腔并且通过膜外壳310的第一孔311将高湿度的非反应气体供应到膜外壳310的内部空间时，中空纤维膜370物理地阻止反应气体和高湿度的非反应气体彼此混合。然而，高湿度的非反应气体的水分能够穿过中空纤维膜370，由此加湿流过中空纤维膜370的空腔的反应气体。

膜外壳310的第一末端被第一覆盖物320覆盖。第一覆盖物320设置有用于把从排气管（stack）中排放的高湿度非反应气体引入到加湿器内部的入口321。当通过入口321引入的高湿度的非反应气体在膜外壳310的外部流动时，该高湿度的非反应气体通过第一孔311流入到膜外壳310的内部。

密封部分（未示出）被设置在第一覆盖物320的内表面和膜外壳310的第一末端，由此高湿度的非反应气体只流入到膜外壳310的内部。即是，由于第一覆盖物320的入口321只与多个第一孔311流体连通，通过入口321引入的高湿度的非反应气体只通过多个第一孔311流入到膜外壳310的内部。

在膜外壳310的第二末端设置第二孔330，该第二孔330包括用于将用来加湿并变干的非反应气体排放到加湿器外部的出口（未示出）。

密封部分（未示出）被设置在第二覆盖物330的内表面和膜外壳310的第二末端之间，由此变干燥的非反应气体只通过第二覆盖物330的出口被排放。

具有反应气体出口351的第一盖350被安装在第一覆盖物320的末端。当流过中空纤维膜370的空腔时被加湿的反应气体通过反应气体出口351被排放到加湿器的外部，然后被供应到燃料电池。

具有反应气体入口341的第二盖340被安装在第二覆盖物330的末端。干燥的反应气体在被供应到燃料电池之前通过反应气体入口341被引入到加湿器的内部。

图2是沿图1的I-I’线截取的剖视图。

如图2所示，根据本发明的燃料电池加湿器包括被布置在膜外壳310的内部空间中的湿度保持器200。

如果与湿度保持器200相邻的中空纤维膜370中的湿度含量突然降低，在在内部保持大量水分的湿度保持器200将其水分供应到中空纤维膜370。

由于结构原因，用于传统加湿器的中空纤维膜370不能包含足够量的水分。因此，如果驾驶燃料电池汽车时由于突然的加速使得反应气体的流入速度瞬间升高，则反应气体不能迅速地被加湿。当被供应到燃料电池的反应气体不够潮湿时，导致燃料电池系统的输出瞬间减小。

为了解决这个问题，能够包含大量水分的湿度保持器200被插入在膜外壳310内的空间中，使得即使高速驾驶时大量的反应气体突然流入中空纤维膜370的空腔中，也能够向反应气体供应足够量的水分。

湿度保持器200可以被插入到集成在膜外壳310内的一束中空纤维膜370中。即是，湿度保持器200被插入在中空纤维膜370之间。如果与湿度保持器200相邻的中空纤维膜370的湿度含量突然降低，湿度保持器200可以将水分供应到相邻的中空纤维膜370。由于湿度保持器200被插入在中空纤维膜370之间，因此可以在短时间内将水分供应到中空纤维膜370中。

可选择地，湿度保持器200可以被布置在集成在膜外壳310内部的一束中空纤维膜370外部。即是，如果该束中空纤维膜370的湿度含量突然降低，布置在该束中空纤维膜370外部的湿度保持器200向该束中空纤维膜370供应水分。由于湿度保持器200被布置在该束中空纤维膜370外部，因此大量的水分能够容易地供应到该束中空纤维膜370。

插在中空纤维膜370之间的湿度保持器200占有膜外壳310的内部空间体积的1～20%。如果湿度保持器200占有的体积小于1%，则很难向中空纤维膜370供应足够量的水分，由此导致高速驾驶时汽车的输出减小。同时，如果湿度保持器200占有的体积大于20%，则用于加湿的有效膜面积太小而不能增强加湿器的加湿性能。

湿度保持器200可以被制成各种形状。例如，湿度保持器200的形状可以是海绵、中空纤维膜、纤维、纺织物、针织物、无纺织物和编织物中的一种。

特别地，由于编织型的湿度保持器200的形状与中空纤维膜370类似，因此可以增强集成程度和最大化加湿效率。另外，编织型的湿度保持器200的大表面积使其在物理上可以包含大量的水分。

湿度保持器200可以由各种材料制成。例如，湿度保持器200可以包括导电材料如全氟磺酸（nafion）、磺化聚砜（sulfonatedpolysulfone）、磺化聚酰亚胺（sulfonatedpolyimide）、和磺化聚芳醚（sulfonatedpolyaryleneether）。包括导电材料的湿度保持器200具有对水分有化学亲和力的亲水基，由此湿度保持器200中能够包含大量的水分。

在上述导电材料中，由杜邦公司（DuPont）制造的全氟磺酸的缺点在于太昂贵，尽管可以快速地转移水分和具有良好的气体阻隔效果。同时，磺化聚砜、磺化聚酰亚胺、和磺化聚芳醚在价格上比较合理，同时它们在性能上与全氟磺酸类似。

同样地，湿度保持器200可以具有能够物理地包含大量水分的形状，并且可以由聚乙烯和聚丙烯中的至少一种形成。例如，物理地具有多个细孔的海绵形或编织物形聚乙烯能够包含大量的水分，使得可以在短时间内向中空纤维膜370供应足够的水分。

如图2所示，根据本发明的加湿器可以进一步包括隔板，该隔板把膜外壳310的内部空间分成多个单元空间。

隔板可以具有双隔墙结构。即是，隔板包括两个隔墙361。两个隔墙361之间的狭缝362穿透膜外壳310的上侧和下侧。

至少在隔板的一部分可以形成双隔墙结构。例如，双隔墙结构可以被应用到隔板的与膜外壳310的第一和第二末端中至少之一相对应的部分。

隔板的狭缝362可以具有形成为各种形状的横截面，如矩形，圆形等等。

通孔（h）可以形成在隔板的隔墙361中。通过隔墙361的通孔（h），在膜外壳310的第一单元空间中的非反应气体能够流入到膜外壳310的第二单元空间。这样，非反应气体能够均匀地供应到膜外壳310的整个内部空间。通孔（h）可以形成为各种形状，例如，矩形、圆形、椭圆形、狭缝、斜缝、网孔等等。

具有双隔墙结构的隔板的优点在于流体能够通过隔墙361之间的狭缝362流动。即是，通过第一覆盖物320的入口321引入的高湿度的非反应气体能够通过狭缝362从膜外壳310的上侧流到膜外壳310的下侧，反之亦然。因此，高湿度的非反应气体能够被均匀地供应到由隔板形成的多个单元空间中。同样地，如果高湿度的非反应气体过多地在膜外壳310上侧流动，则在膜外壳310上方的高湿度非反应气体通过隔墙361的狭缝362流到膜外壳310的下侧，由此高湿度的非反应气体能够以基本相同的量供应到膜外壳310的下侧和上侧。因此，通过第一覆盖物320的入口321引入的高湿度的非反应气体能够均匀地分布并且用于加湿，而不会在膜外壳310内的预定部分聚集。

为了防止非反应气体在膜外壳310内的预定部分聚集，优选地用隔板把膜外壳310的内部空间分成更多的单元空间。从制造难度和费用的角度考虑，优选地膜外壳310包括2～10个单元空间。

以下将详细描述根据本发明的一个实施例的燃料电池加湿器的操作。

待供应到燃料电池的干燥的反应气体通过第二盖340的反应气体入口341流入到加湿器，以及同时，从排气管排放出的高湿度的非反应气体通过第一覆盖物320的入口321流入到加湿器。

通过中空纤维膜370的开口末端，干燥的反应气体被供应到中空纤维膜370的空腔，以及通过第一孔311高湿度的非反应气体被供应到膜外壳310的内部空间。这时，高湿度的非反应气体被均匀地供应到膜外壳310的全部单元空间，同时通过隔墙361之间的狭缝362从膜外壳310的上侧自由地流到下侧，反之亦然。

被引入到膜外壳310的内部空间的含有大量水分的高湿度非反应气体与中空纤维膜370和湿度保持器200接触，并且将水分供应到中空纤维膜370和湿度保持器200。

由此，中空纤维膜370被供应以水分。然后，中空纤维膜370由于水分密度差将水分供应到流过中空纤维膜370空腔的反应气体。加湿的反应气体通过第一盖330的反应气体出口331被供应到燃料电池。

如果在高速驾驶时大量的反应气体通过第二盖340的反应气体入口341瞬间被引入到加湿器中，则在短时间内将大量水分从中空纤维膜370转移到反应气体。在这种情况下，湿度保持器200迅速地将水分供应到低湿度的中空纤维膜370以使得中空纤维膜370能够连续地将足够量的水分供应到反应气体，由此防止在高速驾驶时汽车输出减小。

Claims (6)

1.一种燃料电池加湿器，包括：

具有第一末端和第二末端的膜外壳；

设置在所述膜外壳的内部空间中的一束中空纤维膜，其中所述中空纤维膜的两个末端分别被装入所述膜外壳的所述第一末端和第二末端中；

设置在所述膜外壳的所述内部空间中的湿度保持器；

安置在所述膜外壳的所述第一末端上的第一覆盖物，所述第一覆盖物包括用于引入从排气管排放的高湿度的非反应气体的入口；以及

安置在所述膜外壳的所述第二末端上的第二覆盖物，所述第二覆盖物包括用于排放用来加湿的所述非反应气体的出口，

其中，所述湿度保持器由聚乙烯和聚丙烯中的至少一种形成并且具有海绵或编织物的形状；

其中，所述湿度保持器被布置在所述一束中空纤维膜的外部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，其中，所述湿度保持器占所述膜外壳的内部空间体积的1～20％。

3.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，进一步包括隔板，所述隔板把所述膜外壳的所述内部空间划分成多个单元空间。

4.根据权利要求3所述的燃料电池加湿器，其中，所述隔板具有双隔墙结构。

5.根据权利要求4所述的燃料电池加湿器，其中，所述隔板包括两个隔墙，并且在该两个隔墙之间的狭缝穿透所述膜外壳的上侧和下侧。

6.根据权利要求5所述的燃料电池加湿器，其中，每个所述隔墙具有通孔。