CN106532084B - 用于燃料电池的膜加湿器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃料电池的膜加湿器，该膜加湿器包括加湿器壳体以及成束的中空纤维膜，成束的中空纤维膜的两端由封装构件封装并且成束的中空纤维膜容纳于加湿器壳体中，其中，除了成束的中空纤维膜之外，具有多个孔的旁通流管也由封装构件封装，这样使得来自鼓风机的一部分干空气通过旁通流管从封装构件的外部旁通进入封装构件的内部，并且之后，干空气被注入至加湿器壳体中的成束的中空纤维膜所在的内部空间内。

Description

用于燃料电池的膜加湿器

技术领域

本公开内容涉及一种用于燃料电池的膜加湿器(membrane humidifier)。更具体地，本公开内容涉及一种能够将在膜加湿器中收集的冷凝水轻易地排出至外部的用于燃料电池的膜加湿器。

背景技术

通常，需要对燃料电池内的电解质膜进行加湿，以使燃料电池工作，并且在这种情况下，使用加湿设备，该加湿设备以如下方式进行操作：从燃料电池中排出的湿气体与自外部供应的干气体交换水分。

用于燃料电池的加湿设备的实例包括：超声波加湿器、蒸汽加湿器、蒸发式加湿器等，并且使用中空纤维膜的膜加湿器通常被使用而作为用于燃料电池的加湿设备。

这里，将在下文描述相关技术中的用于燃料电池的膜加湿器的结构与操作。

附图1示出了燃料电池系统的空气供应系统，并且图2示出了相关技术中包含于空气供应系统中的膜加湿器的结构。

燃料电池系统包括：燃料供应系统，供应燃料(氢气)至燃料电池堆栈(fuel cellstack，燃料电池组)；空气供应系统，供应氧气至燃料电池堆栈，氧气是电化学反应所需的氧化剂并且包含在空气中；水热管理系统，控制燃料电池堆栈的操作温度；以及燃料电池堆栈，主要利用氢气和空气生成电能。

因此，当氢气从燃料供应系统供应至燃料电池堆栈的燃料电极，并且同时，氧气从空气供应系统供应至燃料电池堆栈的空气电极时，在燃料电极处实现氢气的氧化反应以产生氢离子(质子)和电子，并且产生的氢离子和电子分别地通过电解质膜和分离板(separating plate)而移动至空气电极。在空气电极处，空气中所包含的氧气与从燃料电极移动来的氢离子和电子引起电化学反应而产生水，并且同时，从电子的流动生成电能。

如图1所示，空气供应系统包括膜加湿器100以及鼓风机202以供应潮湿的空气(氧气)至燃料电池堆栈200。

因此，外部干空气通过鼓风机202的吸入操作而被供应至膜加湿器100的中空纤维膜内。同时，在反应后自燃料电池堆栈200排出的排出气体(湿空气)经过膜加湿器100，并且在这种情况下，包含在排出气体中的水分渗入中空纤维膜以使干空气被加湿。

参考附图2，在相关技术中的膜加湿器100包括壳体101，该壳体具有：供应口102，该供应口在壳体101的一端形成，并且来自鼓风机的干空气流入供应口102内；以及排放口103，该排放口在壳体101的另一端形成并且加湿的干空气从排放口排出。

另外，在壳体101中容纳有成束的(bundle)中空纤维膜，其中多个中空纤维膜集中在一起，并且该束中空纤维膜的两端是通过典型封装构件(potting member)108进行封装而容纳于其中。

另外，在壳体101的一个圆周部分中形成有入口104，从燃料电池堆栈排出的湿空气流入该入口内；并且在另外的圆周部分中形成有出口105，已去除水分的湿空气从该出口排出。

因此，当在反应完成后从燃烧电池堆栈排出的排出气体(也就是，潮湿空气)从壳体101的入口104供应至中空纤维膜106时，在相应中空纤维膜106中通过毛细作用而从潮湿空气中分离出水分。当通过中空纤维膜106中的毛细管时，分离的水分被冷凝，并且然后移至中空纤维膜106内。

接下来，水分已被分离出去的湿空气沿着中空纤维膜106的外面移动，并且然后通过壳体101的出口105被排出。

同时，通过鼓风机的操作由壳体101的供应口102供应外部的气体(干空气)。经由供应口102供应的干空气通过中空纤维膜移动，并且由于从湿空气分离出来的水分已经被移至中空纤维膜106内，干空气通过水分被加湿并且加湿后的干空气通过排放口103而被供应至燃料电池堆栈的空气电极。

同时，燃料电池堆栈(下文称作堆栈)安装在水(蒸汽冷凝物)顺利从堆栈排出的位置处，在燃料电池系统操作期间或在燃料电池系统停止后在堆栈处形成水。原因在于：在冷凝水流至堆栈的情况下，冷凝水阻挡堆栈的一部分或整个空气流动路径(堆栈管线、电池入口和出口、电池中的各个通道)并且阻碍在启动燃料电池的时刻或在燃料电池操作期间的气体(氢气或空气)的供应，从而引起堆栈性能的恶化和关于耐用性的潜在问题。

因此，大多数在堆栈处形成的水通过重力作用不可避免地朝向位于堆栈的下端的加湿器流动。结果，如附图3所示，在加湿器壳体101的底部收集水，并且收集的水存在于封装构件108的内部和外部。

另外，在加湿器中收集冷凝水的另一个原因是，如附图4所示，在连接加湿器壳体101与堆栈200的入口的线路上，由于燃料电池操作期间来自外部的温度差异形成了结露。通过结露形成的冷凝水向下流动，并且然后收集在加湿器壳体中。

在冷凝的水或收集的水存在于加湿器的情况下，在冬天，水被冻结，并且因此，在加湿器内的空气流动路径变窄。同时，加湿器内的压力增加。由于该原因，存在用于将空气吹至加湿器的鼓风机负载增加并且由鼓风机消耗的能量增加的潜在问题。

另外，当在加湿器内收集的水冻结时，中空纤维膜、封装构件、加湿器壳体等由于体积膨胀可被损坏。

另外，当输出迅速增加时(例如，空转→最大或最高输出)，供应至堆栈的空气的流速可增加，以使在加湿器内收集的冷凝水或附着在加湿器表面的水也流入堆栈内。因此，存在堆栈内的流动路径被阻挡并且因此电池被损坏的潜在问题。

考虑到上述问题，有多种用于排出在加湿器壳体内收集的水的相关技术，但是如图3中的

和

所示，存在位于封装构件108与加湿器壳体101的两个壁面之间的空间(深洼)中的收集的水可能不能被排出的缺陷。

上述在本背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开内容的背景技术的理解，并且因此本公开内容可包含不形成本国中本领域的普通技术人员所已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开内容已致力于解决与现有技术相关的上述问题，并且提供一种用于燃料电池的膜加湿器，在膜加湿器中，旁通流管路与成束的中空纤维膜封装在一起，该旁通流管路允许自鼓风机供应的一部分干空气从封装构件的外部旁通进入(bypassed，绕道进入)封装构件的内部，并且之后允许干空气注入至加湿器壳体中该束中空纤维膜所在的内部空间内，从而通过排放空气的压力而顺利地排出在加湿器内收集的冷凝水。

一方面，本公开内容提供一种用于燃料电池的膜加湿器，该膜加湿器包括：加湿器壳体以及成束的中空纤维膜，成束的中空纤维膜的两端由封装构件封装，并且成束的中空纤维膜容纳于加湿器壳体中，其中，除了该束中空纤维膜，具有多个孔的一个或两个或更多个旁通流管也由封装构件封装，这样使得来自鼓风机的一部分干空气通过旁通流管从封装构件的外部旁通进入封装构件的内部，并且之后，干空气被注入至加湿器壳体中该束中空纤维膜所在的内部空间中。

在一个优选的实施方式中，具有大孔的中空纤维膜可作为旁通流管被采用。

在另一优选的实施方式中，比中空纤维膜的直径大并且具有多个孔的塑料管子与金属管子中的任何一个可作为旁通流管被采用。

在又一优选的实施方式中，断开的中空纤维膜(disconnected hollow fibermembranes，分离的中空纤维膜)可作为旁通流管被采用。

在又一优选的实施方式中，旁通流管可被布置至偏向加湿器壳体的底部的位置。

在又一优选实施方式中，在旁通流管的整个长度或仅在整个长度的前端部分或后端部分可形成孔。

通过上述技术方案，本公开内容提供以下效果。

首先，自鼓风机供应的一部分干空气通过旁通流管从封装构件的外部旁通进入封装构件的内部，并且然后被注入至加湿器壳体内的成束中空纤维膜所在的内部空间内，以使在加湿器壳体的底部收集的冷凝水(特别是，从封装构件的外侧在加湿器壳体的底部收集的冷凝水)利用排放空气的压力，通过压力低的用于湿空气的加湿器壳体的入口或通过水分被去除的湿空气的出口，可轻易地排出至外部。

第二，由于在加湿器内收集的水被排出至外部，从而使得中空纤维膜、封装构件、以及加湿器壳体免受在现有加湿器中收集的水冻结时出现的损坏。

在下文中论述本公开内容的其他方面以及优选实施方式。

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆(vehicle)”或者“车辆的(vehicular)”或者其他类似术语包括广义的机动交通工具，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的载客车辆，包括各种船只和船舶在内的水运工具，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其他可替代燃料的车辆(例如，燃料从除石油以外的资源获得)。正如这里所提到的，混合动力车辆是一种具有两种或更多种动力来源的车辆，例如，既是汽油动力又是电动力的车辆。

本公开内容的上述或其他特征在下文论述。

附图说明

将参考附图中示出的特定示例性实施方式详细描述本公开内容的上述和其他特征，在下文中仅以说明的方式给出这些实施方式的描述，并且因此不对本公开内容构成限制，并且在附图中：

图1是示出了燃料电池系统的空气供应系统的结构图。

图2是示出了相关技术中用于燃料电池的膜加湿器的结构的横截面示意图。

图3和图4是示出了相关技术中在用于燃料电池的膜加湿器中收集冷凝水的状态的示意图。

图5是示出了根据本公开内容的第一示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图6是示出了根据本公开内容的第二示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图7是示出了根据本公开内容的第三示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图8是示出了根据本公开内容的第四示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图9是示出了根据本公开内容的第五示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图10是示出了根据本公开内容的第六示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

图11是示出了根据本公开内容的第七示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

应当理解的是，附图示出了说明本公开内容的基本原理的各种优选特征的略微简化的表现形式，因此附图不必按比例绘制。在这里公开的本公开内容的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置、以及形状将通过具体化的特定应用和使用环境而部分地决定。

在整个附图中的几幅图中，图中的相同参考标号涉及本公开内容的相同或等效部件。

具体实施方式

在下文中，将详细参考本公开内容的各种实施方式，在附图和下文中描述这些实施方式的实例。然而本公开内容将结合示例性实施方式进行描述，应当理解的是，本描述并不旨在将本公开内容限制于那些示例性实施方式。相反，本公开内容旨在不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖包含于由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围内的多种变形、修改、等同物以及其他实施方式。

在下文中，将参考附图描述本公开内容的示例性实施方式。

附图5是示出了根据本公开内容的第一示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

如图5所示，膜加湿器100可包括壳体101，该壳体具有：供应口102，该供应口在壳体101的一端形成并且来自鼓风机的干空气流入供应口内；以及排放口103，该排放口在壳体101的另一端形成并且加湿后的干空气从排放口排出。

另外，在壳体101的一个圆周部分中可形成入口104，从燃料电池堆栈排出的湿空气流入该入口内；并且在另外的圆周部分中可形成出口105，已去除水分的湿空气从该出口排出。

另外，在壳体101中容纳有成束的中空纤维膜，其中多个中空纤维膜106可集中在一起，并且该束中空纤维膜的两端是通过典型封装构件108进行封装而容纳于其中。

特别地，除了该束中空纤维膜之外，根据本公开内容的第一示例性实施方式的用作旁通流管并且具有多个大孔的一个或两个或更多个中空纤维膜10也通过封装构件108被封装，并且布置至偏向加湿器壳体101的底部的位置。

更详细地，当该束中空纤维膜的两端通过封装构件108被封装时，具有大孔的中空纤维膜10的两端也通过封装构件108被封装。之后，当该束中空纤维膜和具有大孔的中空纤维膜10容纳于加湿器壳体101内时，具有大孔的中空纤维膜10可被布置至偏向加湿器壳体101的底部的位置。

在这种情况下，构成该束中空纤维膜的中空纤维膜106的特征在于：外部湿空气能通过毛细作用渗入至中空纤维膜106内，但是流入中空纤维膜106内的干空气不能被排出至外部。因此，根据本公开内容的第一示例性实施方式，中空纤维膜10作为旁通流管而被采用，中空纤维膜10具有多个大孔以能排出空气和水。

因此，构成该束中空纤维膜的每一中空纤维膜106具有纳米级孔并且用作加湿器的膜，并且具有大孔的中空纤维膜10用来旁通空气和水并且将空气和水排出至外部。

同时，如图5所示，在加湿器壳体101内的各个部分中的压力按①>②>③>④的顺序增加。

更详细地，由于干空气流入的加湿器壳体101的供应口102是由鼓风机压缩的空气流入的部分，因此在供应口102中的压力最大，并且考虑到压力随着空气的流动而下降，压力按排出加湿的干空气的排放口103、流入湿空气的入口104、以及用于排出已去除水分的湿空气的出口105的顺序增加。

因此，在从供应口102和/或排放口103至入口104或出口105形成旁通流管路的情况下，空气通过旁通流管路流动并且被不断地排出，并且因此在加湿器壳体的底部收集的冷凝水也可被排出。

这里，将在下文中描述将根据本公开内容的第一示例性实施方式的膜加湿器中的冷凝水排出的操作。

首先，通过鼓风机的操作经由壳体101的供应口102来供应外部气体(干空气)。

然后，来自鼓风机的一部分干空气是通过中空纤维膜10从封装构件108的外部旁通进入封装构件的内部，根据本公开内容的第一示例性实施方式的该中空纤维膜具有大孔并且作为旁通流管而被采用。之后，干空气经由中空纤维膜10的大孔注入至加湿器壳体101的该束中空纤维膜所在的内部空间中。

在这种情况下，在封装构件108的外表面与加湿器壳体101的两个壁面之间的空间(深洼)中收集的冷凝水，连同来自鼓风机的空气一起沿着具有大孔的中空纤维膜10被吸入，并且通过中空纤维膜10的大孔排出至加湿器壳体101的该束中空纤维膜所在的内部空间中。

另外，空气通过中空纤维膜10的大孔排出至加湿器壳体101的该束中空纤维膜所在的内部空间中，空气的流动压力施加于在加湿器壳体101的底部收集的冷凝水上。

如上所述，经由中空纤维膜10的大孔所注入的空气朝向压力低的出口105流动(参见图5中的箭头)，并且通过空气流动，冷凝水通过压力最低的出口105也被轻易地排出至外部。

本公开内容的第二和第三示例性实施方式与上述第一示例性实施方式具有相似的结构，但是不同之处在于：采用了中空纤维膜10的一半长度，这一半长度具有大孔并且作为旁通流管被采用。

如图6所示，本公开内容的第二示例性实施方式的特征在于仅一段长度的中空纤维膜10通过一封装构件108被封装，该一段长度的中空纤维膜10对应于根据第一示例性实施方式的具有大孔的中空纤维膜10的前端部分，并且如图7中所示的，本公开内容的第三示例性实施方式的特征在于仅一段长度的中空纤维膜10通过另一封装构件108被封装，该一段长度的中空纤维膜10对应于根据第一示例性实施方式的具有大孔的中空纤维膜10的后端部分。

如上所述，具有大孔且作为旁通流管路而被采用的中空纤维膜10的长度和数量可以根据加湿器的类型和尺寸适当调整。

由于将根据本公开内容的第二和第三示例性实施方式的膜加湿器中的冷凝水排出的操作与上述第一示例性实施方式的操作相同，故省略其描述。

附图8是示出了根据本公开内容的第四示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

本公开内容的第四示例性实施方式被构造成与上述第一示例性实施方式相似，但是与上述第一示例性实施方式不同之处在于：管子12的直径比组成该束中空纤维膜的每一中空纤维膜的直径大，其中管子12具有多个孔、并且由塑料或金属制成、作为旁通流管被采用。

具有大孔并且在第一至第三示例性实施方式中被采用的中空纤维膜10具有小直径，以使多个中空纤维膜被一起封装，但是根据第四示例性实施方式的由塑料或金属制成的管子12具有大的直径，以使即使使用单个管子12，也可获得排出水的效果。

由于将根据本公开内容的第四示例性实施方式的膜加湿器中的冷凝水排出的操作与上述第一示例性实施方式的操作相同，故省略其描述。

本公开内容的第五和第六示例性实施方式具有与上述第四示例性实施方式相似的结构，但是不同之处在于：采用了管子12的一半长度，这一半长度由塑料或金属材料制成并且作为旁通流管被采用。

如图9所示，本公开内容的第五示例性实施方式的特征在于仅一段长度的管子12通过一封装构件108被封装，该一段长度的管子12对应于根据第四示例性实施方式的由塑料或金属制成的管子12的前端部分。如图10所示，本公开内容的第六示例性实施方式的特征在于仅一段长度的管子12通过另一封装构件108被封装，该一段长度的管子12对应于根据第四示例性实施方式的由塑料或金属制成的管子12的后端部分。

如上所示，由塑料或金属制成且作为旁通流管路被采用的管子12的长度和数量可以根据加湿器的类型和尺寸适当调整。

由于将根据本公开内容的第五和第六示例性实施方式的膜加湿器中的冷凝水排出的操作与上述第一示例性实施方式的操作相同，故省略其描述。

附图11是示出了根据本公开内容的第七示例性实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的横截面图。

与上述第一至第六示例性实施方式不同，本公开内容的第七示例性实施方式的特征在于将组成该束中空纤维膜的中空纤维膜用作旁通流管。

根据本公开内容的第七示例性实施方式，组成该束中空纤维膜的中空纤维膜106的特征在于外部湿空气能够通过毛细作用渗入中空纤维膜106内但是在中空纤维膜106中流动的干空气不能排除至外部，并且因此，断开的中空纤维膜14作为旁通流管被采用。

断开的中空纤维膜14通过提前将中空纤维膜分成两段而获得，这两段可通过一封装构件108和另一封装构件108分别地进行封装；或者断开的中空纤维膜可通过封装单个中空纤维膜且断开该单个中空纤维膜的中间部分而获得。

因此，断开的中空纤维膜14的断开部分以开放状态呈现在加湿器壳体101内。

因此，根据本公开内容的第七示例性实施方式，断开的中空纤维膜14作为旁通流管被采用，来自鼓风机的一部分干空气通过断开的中空纤维膜14从封装构件108的外部传输至封装构件的内部。之后，通过断开的中空纤维膜14的断开部分，干空气可轻易注入至加湿器壳体101的该束中空纤维膜所在的内部空间中。

与第一至第六示例性实施方式不同，根据本公开内容的第七示例性实施方式，现有中空纤维膜可作为旁通流管使用，并且因此，本公开内容的第七示例性实施方式在制造成本方面具有优势。

由于将根据本公开内容的第七示例性实施方式的膜加湿器中的冷凝水排出的操作与上述第一示例性实施方式的操作相同，故省略其描述。

已参考本公开内容的优选实施方式对本公开内容进行了详细描述。然而，将理解的是，在不背离本公开内容的原理和精神的情况下，本领域技术人员可以在这些实施方式中做出改变，本公开内容的保护范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的膜加湿器，所述膜加湿器包括：

加湿器壳体；以及

成束的中空纤维膜，所述成束的中空纤维膜的两端由封装构件封装，并且所述成束的中空纤维膜容纳于所述加湿器壳体中，

其中，除了所述成束的中空纤维膜之外，具有多个孔的旁通流管也由所述封装构件封装，这样使得来自鼓风机的一部分干空气通过所述旁通流管从所述封装构件的外部旁通进入所述封装构件的内部，并且之后，所述干空气被注入至所述加湿器壳体中的所述成束的中空纤维膜所在的内部空间内。

2.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，采用具有多个大孔的中空纤维膜作为所述旁通流管。

3.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，采用塑料管子作为所述旁通流管，所述塑料管子的直径大于所述中空纤维膜的直径并且所述塑料管子具有多个孔。

4.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，采用断开的中空纤维膜作为所述旁通流管。

5.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述旁通流管被布置成偏向于所述加湿器壳体的底侧。

6.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述多个孔形成在所述旁通流管的整个长度上。

7.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述旁通流管包含多个旁通流管。

8.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，采用金属管子作为所述旁通流管，所述金属管子的直径大于所述中空纤维膜的直径并且所述金属管子具有多个孔。

9.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述多个孔仅形成在所述旁通流管的整个长度的前端部分中。

10.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述多个孔仅形成在所述旁通流管的整个长度的后端部分中。

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