CN103872358A - 燃料电池的加湿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供燃料电池加湿装置，其包括外壳、中空纤维膜组件、阀、传感器和控制器。更具体地，中空纤维膜组件布置在外壳内。该外壳具有形成在外壳外周面的两侧表面的第一进口和第一出口，以及形成在外壳的一侧和相对侧的第二进口和第二出口。此外，阀安装在外壳的第一出口中且传感器配置为感测燃料电池组的控制因素。控制器还被配置为根据传感器的感测信号输出控制信号来调节阀打开或关闭的程度。

Description

燃料电池的加湿装置及方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年12月12日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2012-0144857的优先权和权益，其全部内容并入本文以作参考。

技术领域

本发明涉及燃料电池的加湿装置及方法，更具体地，涉及如下的燃料电池加湿装置和方法，其中在中空纤维膜组件的中部安装有根据燃料电池的输出来调节开/关的流路打开/关闭阀门。

背景技术

一般而言，应用于燃料电池汽车的燃料电池包括发电组件，其中多个单元电池是连续排列的，且每个单元电池通过燃料（如氢）和氧化剂（如空气）间的电化学反应产生电能。

每个单元电池包括膜电极组件和隔板，隔板布置为分别与膜电极组件的两侧紧密接触。隔板具有导电性质且通常为板形。隔板还包括通道，燃料和氧化剂分别通过通道沿着与膜电极组件紧密接触的表面流动。

膜电极组件包括形成在一表面上的阳极电极（方便起见，以下称为“阳极”）和形成在另一表面上的阴极电极（方便起见，以下称为“阴极”）。此外，在阳极和阴极间形成有电解质膜。电子通过外电路从阳极流向阴极，产生直流电。

在阳极，催化剂氧化经隔板的通道提供的燃料，将燃料分解成带负电的电子和带正电的离子（一般为氢离子）。电解质膜是专门设计为让离子通过而带负电的电子不能通过的物质。自由电子流过电线而相应地产生电流。带正电的离子经电解质到达阴极。一旦到达阴极，带正电的离子与电子再结合，从阳极接收的带负电的电子和带正电的离子与经由隔板的通道接收的氧化剂中所包含的氧气进行反应。反应通常导致水或二氧化碳和热生成。

此外，为了高效且有效地运行上述燃料电池，燃料电池组的电解质膜需要保持适当的湿度。为了达到这个目的，供应到燃料电池的空气通过加湿器在空气进口加湿。

通常应用于燃料电池汽车的一种加湿器是如下配置的膜加湿器，其中密集地集聚有多个中空纤维膜的中空纤维膜组件布置在外壳内。而且，干燥空气经过的第一进口和第一出口形成在外壳的两侧表面，且湿润空气经过的第二进口和第二出口形成在外壳的上侧表面上。

可操作地（operationally），在干燥空气经第一进口引入并经过中空纤维膜组件的内侧时，湿润空气经第二进口朝中空纤维膜组件的外侧供应。湿润空气带有的水分通过中空纤维膜的毛细管作用而分离，分离出的水分在流经中空纤维膜毛细管内时凝结进入到中空纤维膜内。结果，经第一开口引入的干燥空气通过膜内水分加湿，且加湿空气从第一出口排出。

然而，在传统的膜加湿器中，由于中空纤维膜密集地集聚在中空纤维膜组件内，经第二进口引入的湿润空气不能渗透进入中空纤维膜组件。此外，湿润空气扩散到中空纤维膜组件内部的速度非常慢，且中空纤维膜组件的内部不能充分接收水分。

因此，大部分干燥空气流向中空纤维膜组件的中部，湿润空气流向中空纤维膜组件的边缘。于是，加湿装置的效率大大降低。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成该国本领域中普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供燃料电池的加湿装置及方法，其能够利用整个中空纤维膜组件提高加湿性能，能够减少中空纤维膜股数的使用量，具有有利的包装，能够降低在燃料电池组高输出期间施加到加湿装置的压降和鼓风机的负载。

本发明的示例性实施方式提供一种燃料电池加湿装置，包括：布置在外壳内的中空纤维膜组件，外壳设置有形成在其两侧表面的第一进口和第一出口以及形成在其外周面的一侧和另一侧的第二进口和第二出口。此外，在第一出口中安装有流路打开/关闭阀门，传感器配置为感测燃料电池组的控制因素。控制器配置为基于传感器的感测信号输出控制信号来调节流路打开/关闭阀门何时打开或关闭以及持续时间。

控制因素可包括以下任一项：燃料电池组的电流输出量、加速踏板上的压力施加量和燃料电池组进口的湿度。

此外，在本发明的一些示例性实施方式中，流路打开/关闭阀门可具化为采用占空比控制方式的电磁阀。

在示例性实施方式中，以燃料电池的100kw输出为基准，当燃料电池的输出小于约30kw时，控制器可输出与低输出范围相关的控制信号，当燃料电池的输出在约30～60kw时，控制器可输出中输出范围的控制信号，当燃料电池的输出在约60～100kw时，控制器可输出高输出范围的控制信号。

此外，控制器可包括用于在接收到与低输出范围相关的控制信号时完全关闭流路打开/关闭阀门以使干燥空气流向中空纤维膜组件外侧的控制逻辑。控制器还可包括其中根据中输出范围的控制信号对流路打开/关闭阀门的打开量进行占空比控制（duty-control）的控制逻辑。此外，控制器还可包括用于在接收到与高输出范围相关的控制信号时完全打开流路打开/关闭阀门以迫使干燥空气流向整个中空纤维膜组件的控制逻辑。

另外，传感器可包括以下中的任一者：配置为感测燃料电池组的电流输出量的电流传感器，配置为感测加速踏板的压力施加量的踏板传感器和配置为感测燃料电池组的进口的湿度的湿度传感器。

本发明的另一个示例性实施方式提供燃料电池的加湿方法，其包括：在外壳的内部布置其中密集地集聚了多个中空纤维膜的中空纤维膜组件，在外壳的两侧表面中形成第一进口和第一出口，在外壳的外周面的两侧形成第二进口和第二出口，在第一出口中安装流路打开/关闭阀门，以及通过控制器根据从传感器接收到的感测信号调节流路打开/关闭阀门的打开量从而调节燃料电池组的湿度，其中传感器感测燃料电池组的控制因素。

有利地，根据本发明的示例性实施方式，流路打开/关闭阀门安装在干燥空气的出口中，且根据燃料电池组的输出情况来控制流路打开/关闭阀门的开/关，从而提高整个中空纤维膜组件的加湿性能。而且，根据本发明的示例性实施方式，可以减少用在中空纤维膜组件中的中空纤维膜股数，提高价格竞争力并减小包装的总体尺寸。

此外，根据本发明的示例性实施方式，可以在燃料电池组有高输出时通过流路打开/关闭阀门可调节地打开和关闭流路来降低施加到加湿装置上的压降，并通过压降的降低来减小鼓风机的负载。

附图说明

图1是根据本发明示例性实施方式的燃料电池加湿装置的横截面侧视图。

图2是根据本发明示例性实施方式的燃料电池加湿装置的控制结构图。

图3A到图3C是根据本发明示例性实施方式的加湿装置的实施视图。

符号说明

2：燃料电池组                  4：鼓风机

10：加湿装置                   12：外壳

14：中空纤维膜组件

16：流路打开/关闭阀门

18：传感器                     20：控制器

26：第一进口                   28：第一出口

30：第二进口                   32：第二出口

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细说明本发明的示例性实施方式。

在此之前，在本说明书中描述的示例性实施方式和附图中图示的结构仅仅是本发明的示例性实施方式，并不代表本发明的全部技术精神，因此应当理解存在各种可替代本发明提交时在本说明中描述的示例性实施方式和附图中图示的结构的等效形式和改进实施例。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该（a、an、the）”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括（comprises和/或comprising）”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。

除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车、燃料电池车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

此外，应当理解，下文的控制逻辑和控制方法由至少一个控制器执行。术语控制器指代包括存储器和处理器的硬件设备，因此是通过配置为要执行的控制逻辑从结构上定义的有形结构。存储器被配置为储存模块，处理器被具体配置为执行所述模块以进行下文进一步描述的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可以实现为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、快闪驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在连接网络的计算机系统中，以便，例如通过远程信息处理（telematics）服务器或控制器局域网（CAN）以分布式模式存储和执行计算机可读介质。

现在将在下文中详细说明本发明的特征。

图1是根据本发明示例性实施方式的燃料电池加湿装置的横截面侧视图。图2是根据本发明示例性实施方式的燃料电池加湿装置的控制结构图。图3A到图3C是根据本发明示例性实施方式的加湿装置的实施视图。

图1示出的本发明示例性实施方式的燃料电池的加湿装置10包括外壳12、中空纤维膜组件14、流路打开/关闭阀门16、传感器18和控制器20。

加湿装置10的外壳12可形成为圆筒形，且具有分别在外壳12的两侧表面上形成的第一进口26和第一出口28。更具体地，第一进口26和第一出口28可形成为干燥空气通过的进口和出口。通过使用第一进口26和第一出口28作为进口和出口，干燥空气可流到中空纤维膜组件的中部。

此外，第二进口30和第二出口32可分别形成在外壳12外周面的一侧和相对侧。第二进口30和第二出口32可形成为湿润空气通过的进口和出口。通过使用第二进口30和第二出口32作为进口和出口，湿润空气可移动到中空纤维膜组件的外侧。这样，中空纤维膜组件14可纵向布置在外壳12内。这样做时，将一束中空纤维膜密集集聚以便中空纤维膜组件14据此配置。

此外，流路打开/关闭阀门16安装在第一出口28（干燥空气经其排出）中。为方便描述，图1和图3所示的流路打开/关闭阀门16转动了90度示出。如图1和图3所示，流路打开/关闭阀门16可具化为采用占空比控制方式的电磁阀，其中阀门根据燃料电池组2的输出值打开。

如图2所示，加湿装置10的传感器18感测控制因素。该控制因素可包括以下任一项：燃料电池组2的电流量，加速踏板的压力施加量或燃料电池组2进口的湿度。因此，传感器18可具化为感测燃料电池组2的电流量的电流传感器、感测加速踏板上的压力施加量的踏板传感器或感测燃料电池组2进口的湿度的湿度传感器。由传感器18产生的这些信号接着被传送到控制器20。

控制器20根据传感器18的感测信号输出与低输出范围、中输出范围和高输出范围相关的控制信号。例如，在本发明的示例性实施方式中，以100kw燃料电池的输出为基准，低于约30kw的范围可归入低输出范围，约30～60kw的范围可归入中输出范围，约60～100kw的范围可归入高输出范围。

这样，控制器20可根据燃料电池组2的输出范围调节流路打开/关闭阀门16的打开/关闭量。控制器20可在发出与低输出范围相关的控制信号时输出控制信号以便关闭流路打开/关闭阀门16，在发出根据输出值与中输出范围相关的控制信号时输出控制信号以便至少部分打开流路打开/关闭阀门16，并在发出与高输出范围相关的控制信号时输出控制信号以便完全打开流路打开/关闭阀门16。

现在，参考图3，将说明根据本发明示例性实施方式的燃料电池的加湿方法。具体地，为装配装置，将中空纤维膜组件14布置在加湿装置10的外壳12内。第一进口26和第一出口28形成在外壳12的两侧表面中，第二进口30和第二出口32形成在外壳12外周面的一侧和另一侧。在第一出口28中可安装有由采用占空比控制方式的电磁阀形成的流路打开/关闭阀门16。

为了控制该装置，传感器18感测控制因素，控制因素可以是以下任一项：燃料电池组2的电流量、加速踏板的压力施加量、燃料电池组2进口的湿度，基于由传感器18产生并发送给控制器20的感测信号，控制器20确定燃料电池组2的输出所属的范围。这个范围可以是低输出范围、中输出范围和高输出范围。在确定该范围后，控制器随后向流路打开/关闭阀门16发送控制信号从而相应地控制流路。

如上所述，根据控制器20的控制信号来控制流路打开/关闭阀门16的打开量。当流路打开/关闭阀门16接收到与低输出范围相关的控制信号时，该阀16完全关闭。当流路打开/关闭阀门16接收到在中范围内的控制信号时，根据燃料电池组2的输出值对阀进行占空比控制，从而逐渐打开阀16。最后，当流路打开/关闭阀门16接收到与高输出范围相关的控制信号时，阀16完全打开。

如图3A所示，当燃料电池组2具有低输出时，加湿装置10外壳12内的空气以低流速和低压流动且流路打开/关闭阀门16关闭。另外，鼓风机4供给的干燥空气流向中空纤维膜组件14的外侧，使得加湿主要发生在加湿装置10的外部。

此外，如图3B所示，当燃料电池组2具有中输出时，由于流路打开/关闭阀门16的输出值增加，当流路打开/关闭阀门16通过占空比控制而逐渐打开时干燥空气逐渐扩散到整个中空纤维膜组件14。

此外，如图3C所示，当燃料电池组2具有高输出时，加湿装置10外壳12内的空气以高流速和高压流动且流路打开/关闭阀门16完全打开，干燥空气流向整个中空纤维膜组件14，使得加湿在加湿装置10的全部区域进行。

根据前述的构造，根据本发明实施方式的燃料电池的加湿装置10改善整个中空纤维膜组件14内的加湿性能，从而有效调节燃料电池组2的湿度。

虽然已结合目前被认为是实用的示例性实施方式的那些来描述本发明，但是应当理解本发明不局限于所公开的实施方式，相反，其意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等价布置。

Claims (19)

1.一种燃料电池的加湿装置，包括：

布置在外壳内的中空纤维膜组件，所述外壳设置有形成在其外周面的两侧面中的第一进口和第一出口，以及形成在其一侧和相对侧的第二进口和第二出口；

安装在所述第一出口中的阀；

配置为感测燃料电池组的控制因素、产生信号的传感器；以及

配置为根据所述传感器产生的信号输出调节所述阀的量的控制信号的控制器。

2.根据权利要求1所述的加湿装置，其中：

所述控制因素选自所述燃料电池组的电流输出量、加速踏板上的压力施加量和所述燃料电池组的进口的湿度。

3.根据权利要求2所述的加湿装置，其中：

所述传感器选自感测所述燃料电池组的电流输出量的电流传感器、感测所述加速踏板上的压力施加量的踏板传感器、感测所述燃料电池组的进口的湿度的湿度传感器。

4.根据权利要求1所述的加湿装置，其中：

所述阀是采用占空比控制方式的电磁阀。

5.根据权利要求1所述的加湿装置，其中：

以所述燃料电池的100kw输出为基准，所述控制器在所述燃料电池的输出小于约30kw时输出与低输出范围相关的控制信号，在所述燃料电池的输出为约30～60kw时输出与中输出范围相关的控制信号，在所述燃料电池的输出为约60～100kw时输出与高输出范围相关的控制信号。

6.根据权利要求5所述的加湿装置，其中：

所述控制器包括通过发出与低输出范围相关的控制信号而完全关闭所述阀，从而迫使干燥空气朝所述中空纤维膜组件的外侧流动的控制逻辑。

7.根据权利要求5所述的加湿装置，其中：

所述控制器包括根据与中输出范围相关的控制信号通过占空比控制而逐渐打开所述阀的控制逻辑。

8.根据权利要求5所述的加湿装置，其中：

所述控制器包括通过与高输出范围相关的控制信号而完全打开所述阀，从而迫使干燥空气朝所述中空纤维膜组件的整个区域流动的控制逻辑。

9.一种燃料电池的加湿方法，包括：

在外壳内布置中空纤维膜组件，在所述中空纤维膜组件中密集地集聚有多个中空纤维膜；

在所述外壳的两侧面中形成第一进口和第一出口；

在所述外壳的外周面的两侧形成第二进口和第二出口；以及

在所述第一出口中安装阀；

其中控制器基于从传感器接收到的信号调节所述阀打开或关闭的程度从而调节燃料电池组的湿度，所述信号基于所述燃料电池组的控制因素而产生。

10.根据权利要求9所述的加湿方法，其中：

所示控制因素选自所述燃料电池组的电流输出量、加速踏板的压力施加量和所述燃料电池组的进口的湿度。

11.根据权利要求9所述的加湿方法，其中：

以所述燃料电池的100kw输出为基准，所述控制器在所述燃料电池的输出小于约30kw时输出与低输出范围相关的控制信号，在所述燃料电池的输出为约30～60kw时输出与中输出范围相关的控制信号，在所述燃料电池的输出为约60～100kw时输出与高输出范围相关的控制信号。

12.根据权利要求11所述的加湿方法，其中：

所述控制器通过发出与低输出范围相关的控制信号而完全关闭所述阀，从而迫使干燥空气朝所述中空纤维膜组件的外侧流动。

13.根据权利要求11所述的加湿方法，其中：

所述控制器通过发出与中输出范围相关的控制信号而对所述阀打开的程度进行占空比控制，从而逐渐地打开所述阀。

14.根据权利要求11所述的加湿方法，其中：

所述控制器通过发出与高输出范围相关的控制信号而完全打开所述阀，从而迫使干燥空气流经所述中空纤维膜组件的整个区域。

15.一种燃料电池的加湿方法，包括：

通过一个或多个传感器感测与燃料电池组的输出相关的控制因素；

通过所述传感器基于所述控制因素产生信号；

通过所述传感器发射信号到控制器，所述控制器配置为控制安装在其内具有中空纤维膜组件的外壳的出口中的阀，在所述中空纤维膜组件中密集集聚有多个中空纤维膜；以及

基于从所述传感器接收到的信号调节所述阀打开或关闭的程度。

16.根据权利要求15所述的加湿方法，还包括：

以所述燃料电池的100kw输出为基准，由所述控制器在所述燃料电池的输出小于约30kw时输出与低输出范围相关的控制信号；

通过所述控制器在所述燃料电池的输出为约30～60kw时输出与中输出范围相关的控制信号；

在所述燃料电池的输出为约60～100kw时输出与高输出范围相关的控制信号。

17.根据权利要求16所述的加湿方法，还包括由所述控制器通过发出与低输出范围相关的控制信号而完全关闭所述阀，从而迫使干燥空气朝所述中空纤维膜组件的外侧流动。

18.根据权利要求16所述的加湿方法，还包括通过发出与中输出范围相关的控制信号而对所述阀打开的程度进行占空比控制，从而逐渐地打开所述阀。

19.根据权利要求16所述的加湿方法，还包括通过所述控制器通过发出与高输出范围相关的控制信号而完全打开所述阀，从而迫使干燥空气流经所述中空纤维膜组件的整个区域。

Images