CN105322199A - 用于燃料电池的加湿装置及包括其的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种用于燃料电池的加湿装置。用于燃料电池的加湿装置执行从燃料电池的阴极排出的废气和通过空气压缩机供应的干燥空气的膜加湿且将加湿空气供应至阴极，加湿装置包含：主膜模块，所述主膜模块包含设置在所述主膜模块中的若干束第一中空纤维膜；和副膜模块，所述副膜模块连接至所述主膜模块且包含设置在所述副膜模块中的若干束第二中空纤维膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车辆的燃料电池系统。具体地，本发明涉及一种用于对供应至燃料电池的反应气体加湿的加湿装置。
背景技术
通常，燃料电池系统是由燃料电池通过空气中的氢气和氧气的电化学反应产生电能的发电系统。举例来说，燃料电池系统应用于燃料电池车辆以通过操作电动机来驱动车辆。
燃料电池系统包含由阴极和阳极组成的单元燃料电池的发电总成(electricitygenerationassembly)形成的电池堆、用于将空气供应至燃料电池的阴极的供气装置(空气供给装置)和用于将氢气供应至燃料电池的阳极的供氢装置。
另一方面，在高分子燃料电池中，提供适当水分以使得膜电极总成(MEA：membrane-electrodeassembly)的离子交换膜可顺畅地发挥作用。照此，燃料电池系统的供气装置包含用于对供应至燃料电池的空气加湿的加湿装置。
举例来说，加湿装置使用从燃料电池的阴极排出的高温高湿空气中的水分对通过供气装置的空气压缩机供应的干燥空气加湿，且将加湿空气供应至燃料电池的阴极。
作为加湿装置，已开发出各种类型的加湿装置，例如起泡器式(bubblertype)加湿装置、喷射式(injectiontype)加湿装置、板式(platetype)加湿装置、吸附式(adsorbenttype)加湿装置和膜式(membranetype)加湿装置等。然而，针对用于车辆的燃料电池，由于其包装受到限制，因此应用较小体积的膜式加湿装置。上述膜式加湿装置具有膜式加湿装置不需要特殊电源的优势以及在包装方面的优势。
在膜式加湿装置(为方便起见，下文简称“膜加湿装置”)中，通过气体之间(gastogas)，例如从燃料电池的阴极排出的高温高湿废气与通过空气压缩机供应的干燥空气之间的水分交换来执行加湿。
然而，与其他类型的加湿装置相比，膜加湿装置具有较小体积，但在气体之间交换水分期间，作为车辆构件，膜加湿装置仍可具有较大体积，膜加湿装置在包装方面可能不利。
此外，根据现有技术，由于膜加湿装置的功能特性，水可在加湿装置中冷凝。由于上述冷凝水可在寒冷天气条件下冻结，加湿装置中的空气道可缩小，导致空气压缩机的负载可能由于压力增加而增加，且因此空气压缩机的功耗可能增加。因此，燃料电池车辆的燃料效率可能降低。
此外，当加湿装置中的冷凝水在寒冷天气条件下冻结时，加湿装置的膜模块可能因冻结冷凝水的体积膨胀而损坏，且加湿装置的加湿性能可能降低。
另一方面，由于高压缩比和大量空气，在电池堆的高功率工作时由空气压缩机压缩的空气的温度增加至约100℃至150℃。
由于上述压缩空气的温度大于电池堆的约60℃至80℃的正常工作温度，该温度对加湿装置的加湿效率和电池堆的工作效率而言充当不利条件。照此，在燃料电池系统中，需要降低从由空气压缩机供应至加湿装置的压缩空气的高温。
此外，在高速旋转的涡轮式空气压缩机中，旋转叶轮的电动机和支承电动机的旋转轴的轴承的冷却可能为确定整个装置的性能和使用寿命的重要设计因素。
具体地，在电动机中，当在线圈绕组和转子的磁体中产生的热量没有被适当冷却时，线圈可能被损坏或绝缘性可能降低。此外，当在电动机中使用稀土元素基磁体时，由于磁体可能因为高温退磁而退磁，因此磁体的冷却可能也很重要。
另外，用于支承旋转轴的轴承应用于空气压缩机的电动机。尽管各种类型的轴承具有不同温度范围，但可根据轴承的类型或材料确定合适温度，且轴承也可适当冷却。
照此，根据现有技术，中间冷却器(intercooler)、水泵等安装在连接空气压缩机和加湿装置的供气路径中作为用于冷却从空气压缩机供应来的空气的冷却单元的一例。
然而，根据现有技术，作为用于将空气供应至电池堆的供气装置，追加安装冷却单元，例如中间冷却器、水泵等，用于冷却由空气压缩机压缩的空气，这在整个燃料电池系统的包装方面可能造成不利。
本背景技术部分中公开的上述信息仅为了增强对本发明的背景技术的理解，因此其可含有不构成本国所属领域的技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种用于燃料电池的加湿装置，该加湿装置可分别将加湿的加湿空气循环至空气压缩机的进气端且将供应的加湿空气循环至燃料电池的阴极。
另外，本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统可分别将加湿的加湿空气循环至空气压缩机的进气端以冷却供气系统中的空气压缩机，从而改善加湿性能。
在本发明的示例性实施例中，提供一种用于燃料电池的加湿装置，其可执行从燃料电池的阴极排出的废气和通过空气压缩机供应的干燥空气的膜加湿并将加湿空气供应至上述阴极。上述加湿装置可包括：主膜模块，其包含密集设置或集中在上述主膜中的若干束第一中空纤维膜；及副膜模块，其连接至上述主膜模块且包含密集设置或集中在上述副膜模块中的若干束第二中空纤维膜。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置可将从上述主膜模块排出的加湿空气供应至上述燃料电池的阴极。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置可将从上述副膜模块排出的加湿空气供应至上述空气压缩机的进气端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述副膜模块可通过循环管路连接至上述空气压缩机的进气端，且通过上述循环管路将加湿空气供应至上述空气压缩机的进气端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述副膜模块可连接至用于将在上述空气压缩机中压缩的干燥空气供应至上述主膜模块的干燥空气供给管路，但通过从上述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至上述空气压缩机的空气输出端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述主膜模块和上述副膜模块可彼此一体地设置在单个壳体中。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述主膜模块和上述副膜模块可在上述壳体中由间隔壁彼此隔开。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述壳体可包含：第一进气部，其将通过上述空气压缩机供应的干燥空气引入至上述主膜模块中；第二进气部，其将通过上述空气压缩机供应的干燥空气的一部分引入至上述副膜模块中；第三进气部，其将从上述燃料电池的阴极排出的废气引入至上述主膜模块中；第四进气部，其形成于上述间隔壁中、用于将上述主膜模块与上述副膜模块彼此连接且将废气引入至上述副膜模块中；第一排气部，其将在上述主膜模块中加湿的加湿空气排出；第二排气部，其将在上述副膜模块中加湿的加湿空气排出；及第三排气部，其将在废气从上述主膜模块穿过上述副膜模块时去除了水分的废气排出。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述第一进气部可通过干燥空气供给管路连接至上述空气压缩机的空气输出端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述第二进气部可通过从上述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至上述空气压缩机的空气输出端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述第二排气部可通过循环管路连接至上述空气压缩机的进气端。
本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置中，上述第四进气部可由将上述主膜模块与上述副膜模块彼此连接的连接孔形成。
在另一方面，本发明提供一种燃料电池系统，其可包括：电池堆，其由单元燃料电池的发电总成形成；空气压缩机，其用于将空气供应至燃料电池的阴极；加湿装置，其连接至上述空气压缩机且执行从上述阴极排出的废气和通过上述空气压缩供应的干燥空气的膜加湿；及氢气罐，其用于将氢气供应至上述燃料电池的阳极。具体地，上述加湿装置可包含：主膜模块，上述主膜模块包含密集设置或集中在上述主膜模块中的若干束第一中空纤维膜；和副膜模块，上述副膜模块连接至上述主膜模块且包含密集设置或集中在上述副膜模块中的若干束第二中空纤维膜。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，从上述副膜模块排出的加湿空气可通过循环管路供应至上述空气压缩机的进气端，且在上述空气压缩机中压缩的干燥空气可由上述加湿空气冷却。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述加湿装置可通过干燥空气供给管路将从上述空气压缩机供应的干燥空气供应至上述主膜模块。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述加湿装置可通过从上述干燥空气供给管路分支的分支管路将干燥空气的一部分供应至上述副膜模块。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述加湿装置可通过加湿空气供给管路将从上述主膜模块排出的加湿空气供应至上述燃料电池的阴极。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述加湿装置可通过循环管路将从上述副膜模块排出的加湿空气供应至上述空气压缩机的进气端。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述主膜模块和上述副膜模块可彼此一体地设置在单个壳体中且在上述壳体中由间隔壁彼此隔开。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述壳体可包含：第一进气部，其将通过上述空气压缩机供应的干燥空气引入至上述主膜模块中，第二进气部，其将通过上述空气压缩机供应的干燥空气的一部分引入至上述副膜模块中，第三进气部，其将从上述燃料电池的阴极排出的废气引入至上述主膜模块中，第四进气部，其形成于上述间隔壁中、用于将上述主膜模块与上述副膜模块彼此连接且将废气引入至上述副膜模块中；第一排气部，其将在上述主膜模块中加湿的加湿空气排出；第二排气部，其将在上述副膜模块中加湿的加湿空气排出；和第三排气部，其将在废气从上述主膜模块穿过上述副膜模块时去除了水分的废气排出。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述第一进气部可通过干燥空气供给管路连接至上述空气压缩机的空气输出端。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述第二进气部可通过从上述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至上述空气压缩机的空气输出端。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述第三进气部可通过排气管路连接至上述燃料电池的阴极。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述第一排气部可通过加湿空气供给管路连接至上述燃料电池的阴极。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统中，上述第二排气部可通过循环管路连接至上述空气压缩机的进气端。
本发明的优选车辆可包括上述的燃料电池系统。
根据本发明的各种示例性实施例，由于从副膜模块排出的加湿空气循环至空气压缩机的进气端，因此可降低在空气压缩机中压缩的空气的温度，且可由温度经冷却的压缩空气来冷却空气压缩机的结构构件，从而能改善空气压缩机的空气力学性能和效率。
另外，根据本发明的各种示例性实施例，由于从副膜模块排出的加湿空气循环至空气压缩机的进气端，所以供应至加湿装置的空气的相对湿度可能增加，这样能降低加湿装置的负载，可改善加湿装置的加湿性能，且可减小加湿装置的尺寸。
此外，根据本发明的各种示例性实施例，由于通过将从副膜模块排出的加湿空气循环至空气压缩机的进气端来冷却空气压缩机，可省略现有技术中的另外的冷却单元，例如中间冷却器、水泵等，且可通过增加供应至加湿装置的空气的相对湿度来减小加湿装置的尺寸，从而能减小整个燃料电池系统的包装。
附图说明
附图用于描述本发明的示例性实施例，因此本发明的技术构思不限于附图。
图1示出本发明的示例性实施例的示例性燃料电池系统。
图2示出示意性说明本发明的示例性实施例的用于示例性燃料电池的示例性加湿装置的截面结构。
图3示出本发明的示例性实施例的燃料电池系统的示例性操作。
图4和图5示出用于描述本发明的示例性实施例的示例性燃料电池系统的示例性操作效果的比较例。
图1至图5中阐述的附图标记包括参考下文进一步讨论的如下元件：
10电池堆11燃料电池
12膜电极总成13阴极
15阳极30空气压缩机
50氢气罐71干燥空气供给管路
73分支管路75排气管路
77加湿空气供给管路79循环管路
100燃料电池系统110壳体
115间隔壁131第一进气部
132第二进气部133第三进气部
134第四进气部136连接孔
151第一排气部152第二排气部
153第三排气部200加湿装置
210主膜模块211第一中空纤维膜
230副膜模块231第二中空纤维膜
具体实施方式
将参考示出本发明的示例性实施例的附图在下文中更详细描述本发明，使得所属领域的技术人员可容易地实践本发明。如所属领域的技术人员可意识到，可在不脱离本发明的精神或范围的情况下以各种不同方式修改描述的实施例。
为了阐明本发明，将省略不与本描述关联的部分，且贯穿本说明书相同附图标记指代相同元件或等效元件。
为了方便解释，每一元件的尺寸和厚度任意示出于附图中，且本发明并不限于所述尺寸和厚度，且在附图中，为了阐述将部分、区域等的厚度放大。
此外，术语第一、第二等的使用是为了区分元件，且不限于以下描述中的顺序。
另外，除非明确相反描述，术语“包括(comprise)”及变体，例如“包含”或“具有”，将理解为暗示包含所述元件但不排除任何其它元件。
此外，本说明书中描述的术语‘单元’、‘构件’、‘器(机)’、‘部件’等指示用于执行至少一种功能或操作的综合结构单元。
图1示出本发明的示例性实施例的示例性燃料电池系统。
如图1所示，本发明的示例性实施例的燃料电池系统100通过作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气的电化学反应产生电能。燃料电池系统100可被包含在，但不限于，燃料电池车辆中。
本发明的示例性实施例的燃料电池系统100包含电池堆10、空气压缩机30、加湿装置200和氢气罐50，将在下文描述每一个上述构件。
电池堆由单元燃料电池的发电总成形成，其中阴极13和阳极15以及在现有技术中也被称为“分离板”或“双极板”的隔件(separator)设置在膜电极总成(MEA)12的两侧处。
在燃料电池11的阴极13中，高温高湿空气(下文也简称为“废气”)排出，且在燃料电池的阳极15中，高温高湿氢气作为未反应氢气排出。
将空气供应至燃料电池11的阴极13的空气压缩机30吸收空气中的氧气(下文称为“干燥空气”)且压缩干燥空气以将压缩空气供应至下文描述的加湿装置100。
由于空气压缩机30在电池堆10的高功率工作下以高压缩比压缩干燥空气，所以压缩空气的温度可能增加，这种情况可对加湿装置200的加湿效率和电池堆10的工作效率具有负面影响。此外，可在结构部件，例如压缩部、驱动电动机、轴承等中产生热量。
在本发明的示例性实施例的加湿装置200中，可通过交换气体之间的水分来执行从燃料电池11的阴极13排出的废气和从空气压缩机30供应来的干燥空气的膜加湿，且加湿的空气(下文称为“加湿空气”)可供应至燃料电池11的阴极13。具体地，加湿装置200可通过干燥空气供给管路71连接至空气压缩机30。
将参考图2在下文提供本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置200的结构的详细描述。
将氢气供应至燃料电池11的阳极15的氢气罐30可储存氢气且将氢气供应至阳极15。
由于上述电池堆10、空气压缩机30和氢气罐50的结构通常在现有技术中已知，所以将在本说明书中省略其详细描述。
在本发明的示例性实施例的燃料电池系统100中，可提供能够分别将加湿的加湿空气循环至空气压缩机30的进气端且将加湿空气供应至燃料电池11的阴极13的用于燃料电池的加湿装置200。
另外，提供能够分别将加湿的加湿空气循环至空气压缩机30的进气端以冷却供气系统中的空气压缩机30且改善加湿性能的用于燃料电池的加湿装置200，且还可提供包括加湿装置200的燃料电池系统100。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例的应用于燃料电池的加湿装置200的结构。
图2为示出本发明的示例性实施例的用于示例性燃料电池的示例性加湿装置的截面结构图。
如图1和图2所示，本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置200可包含壳体110和彼此一体地设置在壳体110中的主膜模块210和副膜模块230，且将在下文描述每个结构。
根据本发明的示例性实施例，在壳体110中，主膜模块210和副膜模块230可彼此设置为一体，且壳体110可为，但不限于，单个壳体或分为两个或两个以上部分的壳体，以支承主膜模块210和副膜模块230。
壳体110还可以包含用于支承主膜模块210和副膜模块230的各种附件，例如各种支架、块、突起、筋(rib)、圈(collar)等。
然而，在本发明的示例性实施例中，由于上述各种附件用于将下文进一步描述的主膜模块210和副膜模块230安装在壳体110中，所以上述各种附件将统一称为壳体110，特殊情况除外。
根据本发明的示例性实施例，在主膜模块210中，可通过交换气体，例如从燃料电池的阴极13排出的废气和从空气压缩机30供应的干燥空气之间的水分来执行膜加湿。
主膜模块210可排出由通过废气和干燥空气的水分交换的膜加湿获得的加湿空气且将加湿空气供应至燃料电池11的阴极13。
主膜模块210可包含密集设置在壳体110中的若干束第一中空纤维膜211。具体地，主膜模块210可通过由高分子材料制成的支承单元固定在壳体110中。
根据本发明的示例性实施例，在副膜模块230中，独立于主膜模块210，可通过交换从燃料电池的阴极13排出的废气和从空气压缩机30供应的干燥空气之间的水分来执行膜加湿。
副膜模块230可排出由通过废气和干燥空气的水分交换的膜加湿获得的不同的(separate)加湿空气且将加湿空气供应至空气压缩机30的进气端。
副膜模块230可连接至壳体110中的主膜模块210且包含密集设置在壳体110中的若干束第二中空纤维膜231。具体地，副膜模块230可通过由高分子材料制成的支承单元固定在壳体110中。
另一方面，本发明的示例性实施例的主膜模块210和副膜模块230可如上文所述彼此一体设置在壳体110中。
此外，本发明的示例性实施例的主膜模块210和副膜模块230可以由间隔壁115彼此分开的方式设置在壳体110中。
在上述壳体110中，歧管(manifold)可将从燃料电池11的阴极13排出的废气和通过空气压缩机20供应的干燥空气供应至主膜模块210和副膜模块120中的每一个。歧管也可排出由通过主膜模块210和副膜模块230中的废气和干燥空气的水分交换的膜加湿获得的加湿空气，且进一步排出将水分移出至外部的气体。
具体地，壳体110可包含：用于将通过空气压缩机30供应的干燥空气引入至主膜模块210中的第一进气部131；用于将通过空气压缩机30供应的干燥空气的一部分引入至副膜模块230中的第二进气部132；及用于将从燃料电池11的阴极13排出的废气引入至主膜模块210中的第三进气部133。
另外，作为将主膜模块210与副膜模块230彼此连接的连接孔136的第四进气部134可形成于在壳体110中将主膜模块210与副膜模块230彼此隔开的间隔壁115处。
上述第四进气部134可将通过第三进气部133引入至主膜模块中的废气通过连接孔136引入至副膜模块230中。
另外，壳体110还可以包含：用于将在主膜模块210中加湿的加湿空气排出的第一排气部151；用于将在副膜模块230中加湿的加湿空气排出的第二排气部152；和用于将在废气从主膜模块210穿过副膜模块220时去除了水分的废气排出的第三排气部153。
在上述壳体110中，第一进气部131可通过干燥空气供给管路71连接至空气压缩机30的出气端。因此，主膜模块210可通过第一进气部131和干燥空气供给管路71连接至空气压缩机30的出气端。照此，根据本发明的示例性实施例，从空气压缩机30供应来的干燥空气可通过干燥空气供给管路71供应至主膜模块210。
第二进气部132可通过从干燥空气供给管路71分支的分支管路73连接至空气压缩机30的出气端。因此，副膜模块230可通过第二进气部132和分支管路73连接至干燥空气供给管路71，且通过干燥空气供给管路71连接至空气压缩机30的出气端。照此，根据本发明的示例性实施例，在通过干燥空气供给管路71从空气压缩机30供应干燥空气的工序期间，干燥空气的一部分可通过从干燥空气供给管路71分支的分支管路73提供至副膜模块230。
第三进气部133可通过排气管路75连接至燃料电池11的阴极13。因此，主膜模块210可通过第三进气部133和排气管路75连接至燃料电池11的阴极13。照此，根据本发明的示例性实施例，从燃料电池11的阴极13排出的高温高湿废气可通过排气管路75供应至主膜模块210。
上述间隔壁115中形成的第四进气部134可将主膜模块210与副膜模块230彼此连接且将通过第三进气部133引入至主膜模块210的废气引入至副膜模块230中。
第一排气部151可通过加湿空气供给管路77连接至燃料电池11的阴极13。因此，主膜模块210可通过第一排气部151和加湿空气供给管路77连接至燃料电池11的阴极13。照此，根据本发明的示例性实施例，通过主膜模块210的第一排气管路排出的加湿空气可通过加湿空气供给管路77供应至燃料电池11的阴极13。
第二排气部152可通过循环管路79连接至空气压缩机30的进气端。因此，副膜模块230可通过第二排气部152和循环管路79连接至空气压缩机30的进气端。照此，根据本发明的示例性实施例，通过副膜模块230的第二排气部152排出的加湿空气可通过循环管路79供应或循环至空气压缩机30的进气端，且因此，可由加湿空气冷却空气压缩机30中压缩的干燥空气。
另外，连接至副膜模块230的第三排气部153可将在废气从主膜模块210穿过副膜模块230至外部或至空气时去除了水分的废气排出。
在下文中，将参考上述图和附图详细描述如上文所描述结构的本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置200和包括所述加湿装置的燃料电池系统100的操作。
图3示出本发明的示例性实施例的示例性燃料电池系统的示例性操作。
如图3所示，根据本发明的示例性实施例，首先，在由电池堆10的燃料电池11在氢气和空气的电化反应时产生电能的工序期间，高温高湿废气可从燃料电池11的阴极13排出。
此后，根据本发明的示例性实施例，从燃料电池11的阴极13排出的废气可通过排气管路75和第三进气部133供应至主膜模块210。
根据本发明的示例性实施例，在这个工序期间，通过空气压缩机30供应的干燥空气可通过干燥空气供给管路71和第一进气部131供应至主膜模块210。
此处，根据本发明的示例性实施例，在通过干燥空气供给管路71将从空气压缩机30供应的干燥空气供应至主膜模块210的工序期间，干燥空气的一部分可通过从干燥空气供给管路71分支的分支管路73和第二进气部132供应至副膜模块230。
根据本发明的各种示例性实施例，可通过交换气体之间的水分或，可替代地，通过交换主膜模块210中的废气与干燥空气之间的水分来执行膜加湿。加湿空气可随后通过第一排气部151排出。具体地，加湿空气可通过加湿空气供给管路77供应至燃料电池11的阴极13。
在上述工序期间，穿过主膜模块210的废气可在含水分状态下通过第四进气部134供应至副膜模块230。
照此，可在副膜模块230中执行通过交换废气与干燥空气之间的水分进行的膜加湿，且加湿空气可通过第二排气部152排出。
随后，根据本发明的示例性实施例，上述通过第二排气部152排出的加湿空气可通过循环管路79循环至空气压缩机30的进气端。
因此，可通过将从副膜模块230排出的加湿空气循环至空气压缩机30的进气端来将含有水分的加湿空气引入至空气压缩机30中。
因此，根据本发明的示例性实施例，可降低在空气压缩机30中压缩的空气的温度，且可由温度经冷却的压缩空气来冷却空气压缩机30的配置构件，例如压缩部、驱动电动机、轴承等，从而改善空气压缩机30的空气力学性能和效率。
此外，根据本发明的示例性实施例，由于从副膜模块230排出的加湿空气循环至空气压缩机30的进气端，所以供应至加湿装置200的空气的相对湿度可能增加，这样可降低加湿装置200的负载，可改善加湿装置200的加湿性能，且还可减小加湿装置200的尺寸。
另一方面，如上所述，穿过主膜模块210和副膜模块230的废气可在去除水分状态下通过第三排气部153排出至空气中。
在上述本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置200和包括加湿装置200的燃料电池系统100中，可通过冷却在空气压缩机30中压缩的空气的温度及将从副膜模块230排出的加湿空气循环至空气压缩机30的进气端来省略现有技术中的单独(separate)的冷却单元，例如中间冷却器和水泵。
另外，根据本发明的示例性实施例，由于冷却单元，例如冷却器，被省略，可防止用于在冬天升高中间冷却器的冷却剂温度的冷启动时间的延迟，因此，可缩短燃料电池系统的冷启动时间。
另外，根据本发明的示例性实施例，预定量的空气可在电池堆10的高功率工作下通过副膜模块230再循环至空气压缩机30，从而避免空气压缩机30的喘振线(surgeline)。照此，空气压缩机30可稳定工作。
此外，根据本发明的示例性实施例，由于副膜模块230设置在主膜模块210下方，可通过副膜模块230的加湿去除及利用在加湿装置200的下端聚集的冷凝水。
此外，根据本发明的示例性实施例，由于可省略现有技术中的单独的冷却单元，例如中间冷却器、水泵等，，且可增大加湿装置200的尺寸，因此减少了整个燃料电池系统100的包装。
另外，根据本发明的示例性实施例，由于可省略现有技术中的单独冷却单元，例如中间冷却器、水泵等，可不需要这些冷却单元中设置的各种构件，例如阀、喷嘴等，这样可防止在低温下由水的冻结引起的构件的损伤。
另一方面，在下文中，与本发明的示例性实施例的用于燃料电池的加湿装置200和包括所述加湿装置的燃料电池系统100比较，描述比较例。
图4和图5示出用于描述本发明的示例性实施例的燃料电池系统的操作效果的比较例。
如图4所示，相比于本发明的示例性实施例，在第一比较实例中，在将从电池堆1排出的废气供应至加湿装置3，将从空气压缩机5供应的干燥空气供应至加湿装置3及将从加湿装置3排出的加湿空气供应至电池堆1的工序期间，加湿空气的一部分可循环至空气压缩机5的进气端，如虚线箭头所示。
在上述第一比较实例中，可省略现有技术中的冷却单元，例如中间冷却器，但可能未去除及使用加湿装置3中的冷凝水。另外，加湿空气的温度可实质上较高，这样与本发明的示例性实施例相比，空气压缩机5的冷却效率可能降低。
在图5中，相比于本发明的示例性实施例，在第二比较实例中，在将从电池堆1排出的废气供应至加湿装置3，将从空气压缩机5供应的干燥空气供应至加湿装置3及将从加湿装置3排出的加湿空气供应至电池堆1的工序期间，处于去除水分状态的从加湿装置3排出的废气可循环至空气压缩机5的进气端，如虚线箭头所示。
如在上述第二比较实例中，可省略现有技术中的冷却单元(例如中间冷却器等)，但由于废气中的氮浓度实质上较高，引入至电池堆1中的空气中的氮浓度可增加，这样与本发明的示例性实施例相比，电池堆1的性能可能降低。
在上文中，尽管描述了本发明的各种示例性实施例，本发明的精神不限于本文中阐述的实施例且应该理解本发明的所属领域的技术人员可通过相同精神内的构件的增加、修改和去除容易完成包含在本发明的精神中的其它实施例，而所述增加、修改和去除被解释为包含在本发明的精神中。
Claims (16)
1.一种用于燃料电池的加湿装置，其对从燃料电池的阴极排出的废气和通过空气压缩机供应的干燥空气进行膜加湿并将加湿空气供应至所述阴极，所述加湿装置包括：
主膜模块，其包含设置在所述主膜中的若干束第一中空纤维膜；及
副膜模块，其连接至所述主膜模块且包含设置在所述副膜模块中的若干束第二中空纤维膜。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿装置，其中从所述主膜模块排出的加湿空气被供应至所述燃料电池的阴极，且从所述副膜模块排出的加湿空气被供应至所述空气压缩机的进气端。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述副膜模块通过循环管路连接至所述空气压缩机的进气端，且通过所述循环管路将加湿空气供应至所述空气压缩机的进气端。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述副膜模块连接至用于将在所述空气压缩机中压缩的干燥空气供应至所述主膜模块的干燥空气供给管路，但通过从所述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至所述空气压缩机的空气输出端。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述主膜模块和所述副膜模块彼此一体地设置在单个壳体中。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述主膜模块和所述副膜模块在所述壳体中由间隔壁彼此隔开。
7.根据权利要求6所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述壳体包含：
第一进气部，其将通过所述空气压缩机供应的干燥空气引入至所述主膜模块中；
第二进气部，其将通过所述空气压缩机供应的干燥空气的一部分引入至所述副膜模块中；
第三进气部，其将从所述燃料电池的阴极排出的废气引入至所述主膜模块中；
第四进气部，其形成于所述间隔壁中、用于将所述主膜模块与所述副膜模块彼此连接且将废气引入至所述副膜模块中；
第一排气部，其将在所述主膜模块中加湿的加湿空气排出；
第二排气部，其将在所述副膜模块中加湿的加湿空气排出；及
第三排气部，其将在废气从所述主膜模块穿过所述副膜模块时去除了水分的废气排出。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述第一进气部通过干燥空气供给管路连接至所述空气压缩机的空气输出端，所述第二进气部通过从所述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至所述空气压缩机的空气输出端，且所述第二排气部通过循环管路连接至所述空气压缩机的进气端。
9.根据权利要求7所述的用于燃料电池的加湿装置，其中所述第四进气部由将所述主膜模块与所述副膜模块彼此连接的连接孔形成。
10.一种燃料电池系统，其包括：
电池堆，其由单元燃料电池的发电总成形成；
空气压缩机，其用于将空气供应至所述燃料电池的阴极；
加湿装置，其连接至所述空气压缩机且对从所述阴极排出的废气和通过所述空气压缩供应的干燥空气进行膜加湿；及
氢气罐，其用于将氢气供应至所述燃料电池的阳极；
其中所述加湿装置包含：
主膜模块，所述主膜模块包含设置在所述主膜模块中的若干束第一中空纤维膜；和
副膜模块，所述副膜模块连接至所述主膜模块且包含设置在所述副膜模块中的若干束第二中空纤维膜。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中从所述副膜模块排出的加湿空气通过循环管路供应至所述空气压缩机的进气端，且在所述空气压缩机中压缩的干燥空气由所述加湿空气冷却。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述加湿装置通过干燥空气供给管路将从所述空气压缩机供应的干燥空气供应至所述主膜模块，通过从所述干燥空气供给管路分支的分支管路将干燥空气的一部分供应至所述副膜模块，通过加湿空气供给管路将从所述主膜模块排出的加湿空气供应至所述燃料电池的阴极，并通过循环管路将从所述副膜模块排出的加湿空气供应至所述空气压缩机的进气端。
13.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述主膜模块和所述副膜模块彼此一体地设置在单个壳体中且在所述壳体中由间隔壁彼此隔开。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中所述壳体包含：
第一进气部，其将通过所述空气压缩机供应的干燥空气引入至所述主膜模块中，
第二进气部，其将通过所述空气压缩机供应的干燥空气的一部分引入至所述副膜模块中，
第三进气部，其将从所述燃料电池的阴极排出的废气引入至所述主膜模块中，
第四进气部，其形成于所述间隔壁中、用于将所述主膜模块与所述副膜模块彼此连接且将废气引入至所述副膜模块中；
第一排气部，其将在所述主膜模块中加湿的加湿空气排出；
第二排气部，其将在所述副膜模块中加湿的加湿空气排出；及
第三排气部，其将在废气从所述主膜模块穿过所述副膜模块时去除了水分的废气排出。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述第一进气部通过干燥空气供给管路连接至所述空气压缩机的空气输出端，所述第二进气部通过从所述干燥空气供给管路分支的分支管路连接至所述空气压缩机的空气输出端，所述第三进气部通过排气管路连接至所述燃料电池的阴极，所述第一排气部通过加湿空气供给管路连接至所述燃料电池的阴极，且所述第二排气部通过循环管路连接至所述空气压缩机的进气端。
16.一种包括根据权利要求10所述的燃料电池系统的车辆。
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