CN109494386A - 冷却和加湿装置和具有冷却和加湿装置的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却和加湿装置和具有冷却和加湿装置的燃料电池系统。冷却和加湿装置包括冷却部、加湿部及外壳，冷却部包括：冷却剂流路；第一阴极气体流路；及分隔壁；加湿部包括：第二阴极气体流路；阴极废气流路；及可渗水构件；外壳包括阴极气体进口，其中可渗水构件具有在可渗水构件的内侧上限定第二阴极气体流路的管状形状，且管状形状的轴向方向与水平方向交叉且朝向冷却部延伸，或者可渗水构件具有在可渗水构件的一侧上限定第二阴极气体流路的平面形状，且平面形状的平表面与水平方向交叉并且朝向冷却部延伸，外壳包括定位在冷却部的竖直下方的下壁，且阴极气体进口定位在下壁的内表面的至少一部分的竖直上方及冷却部的竖直下方。

Description

冷却和加湿装置和具有冷却和加湿装置的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种冷却和加湿装置和一种具有该冷却和加湿装置的燃料电池系统。

背景技术

已知一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括用于冷却将被供给到燃料电池的阴极气体的冷却器和用于加湿阴极气体的加湿器。例如，在日本未审专利申请公报第2008-108473号中，冷却器和加湿器彼此成一体，并且在阴极废气中包含的水分通过加湿器中的可渗水构件移到阴极侧，这将阴极气体加湿。

如果在冷凝水附着到这种可渗水构件的情况下燃料电池系统停止，则冷凝水可能根据外部空气温度在可渗水构件上结冰，这可能损坏可渗水构件。而且，阴极气体可能吹走这种冷凝水，这可能过度地加湿阴极气体。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种改进从可渗水构件的排泄并且抑制阴极气体的过度加湿的冷却和加湿装置和一种具有该冷却和加湿装置的燃料电池系统。

通过一种冷却和加湿装置实现了以上目的，该冷却和加湿装置包括：冷却部，所述冷却部包括：冷却剂流路，冷却剂流过所述冷却剂流路；第一阴极气体流路，将被供给到燃料电池的阴极气体流过所述第一阴极气体流路；以及分隔壁，所述分隔壁使冷却剂流路与第一阴极气体流路分离，冷却部通过在阴极气体和冷却剂之间交换热来冷却阴极气体；加湿部，所述加湿部包括：第二阴极气体流路，阴极气体流过所述第二阴极气体流路；阴极废气流路，从燃料电池排出的阴极废气流过所述阴极废气流路；以及可渗水构件，所述可渗水构件使第二阴极气体流路与阴极废气流路分离，加湿部通过使用在阴极废气中包含的水分来加湿阴极气体；以及外壳，所述外壳包括与第一阴极气体流路连通的阴极气体进口，并且所述外壳容纳冷却部和加湿部，使得第一阴极气体流路和第二阴极气体流路彼此连通并且第二阴极气体流路被定位在第一阴极气体流路的竖直上方，其中，可渗水构件具有在所述可渗水构件的内侧上限定第二阴极气体流路的管状形状，并且所述管状形状的轴向方向与水平方向交叉并且朝向冷却部延伸，或者可渗水构件具有在所述可渗水构件的一侧上限定第二阴极气体流路的平面形状，并且所述平面形状的平表面与水平方向交叉并且朝向冷却部延伸，所述外壳包括被定位在冷却部的竖直下方的下壁，并且阴极气体进口被定位在下壁的内表面的至少一部分的竖直上方以及冷却部的竖直下方。

利用以上构造，在第二阴极气体流路中产生的冷凝水通过重力从可渗水构件滴落到冷却部，由此改进从可渗水构件的排泄。而且，利用以上构造，冷凝水从可渗水构件通过第一阴极气体流路滴落在下壁的内表面上。因为阴极气体被从下壁的内表面的至少一部分处的竖直上方引入外壳中，所以防止了阴极气体吹走停留在下壁的内表面上的冷凝水。因此，抑制了阴极气体的过度加湿。

下壁可以包括储水部，所述储水部具有竖直向下凹进的凹部。

可以包括第一排水阀，所述第一排水阀向外壳的外部排出存储在下壁上的水。

可以包括第一排水阀，所述第一排水阀向外壳的外部排泄存储在储水部中的水。

可以包括传感器，所述传感器检测存储在下壁上的水量，其中，第一排水阀可以被控制成根据传感器的检测结果打开和关闭。

外壳可以包括废气进口及废气出口，所述废气进口及废气出口与阴极废气流路连通，加湿部可以包括废气流路底表面，所述废气流路底表面限定所述阴极废气流路，并且所述废气流路底表面可以从废气进口向废气出口斜着向下地倾斜。

外壳可以包括废气出口，所述废气出口与阴极废气流路连通，加湿部可以包括废气流路底表面，所述废气流路底表面限定阴极废气流路，并且废气出口可以被设置在等于或低于废气流路底表面的高度的高度处。

可以包括第二排水阀，所述第二排水阀从阴极废气流路向外壳的外部排出水。

冷却剂可以冷却燃料电池。

通过一种燃料电池系统实现了以上目的，该燃料电池系统包括：燃料电池；以及冷却和加湿装置，其中，所述冷却和加湿装置包括：冷却部，所述冷却部包括：冷却剂流路，冷却剂流过所述冷却剂流路；第一阴极气体流路，将被供给到燃料电池的阴极气体流过所述第一阴极气体流路；以及分隔壁，所述分隔壁使冷却剂流路与第一阴极气体流路分离，冷却部通过在阴极气体和冷却剂之间交换热来冷却阴极气体；加湿部，所述加湿部包括：第二阴极气体流路，阴极气体流过所述第二阴极气体流路；阴极废气流路，从燃料电池排出的阴极废气流过所述阴极废气流路；以及可渗水构件，所述可渗水构件使第二阴极气体流路与阴极废气流路分离，加湿部通过使用在阴极废气中包含的水分来加湿阴极气体；以及外壳，所述外壳包括与第一阴极气体流路连通的阴极气体进口，并且所述外壳容纳冷却部和加湿部，使得第一阴极气体流路和第二阴极气体流路彼此连通并且第二阴极气体流路被定位在第一阴极气体流路的竖直上方，可渗水构件具有在所述可渗水构件的内侧上限定第二阴极气体流路的管状形状，并且所述管状形状的轴向方向与水平方向交叉并且朝向冷却部延伸，或者可渗水构件具有在所述可渗水构件的一侧上限定第二阴极气体流路的平面形状，并且所述平面形状的平表面与水平方向交叉并且朝向冷却部延伸，所述外壳包括被定位在冷却部的竖直下方的下壁，并且阴极气体进口被定位在下壁的内表面的至少一部分的竖直上方以及冷却部的竖直下方。

本发明的效果

根据本发明，能够提供一种改进从可渗水构件的排泄并且抑制阴极气体的过度加湿的冷却和加湿装置和一种具有该冷却和加湿装置的燃料电池系统。

附图说明

图1是燃料电池系统的概略视图；

图2是示意冷却和加湿装置的外观的概略透视图；

图3是示意外壳的内部构造的视图；

图4是示意外壳的内部构造的视图；

图5是当在Z方向上观察时可渗水隔膜的部分截面视图；

图6是示意排泄控制的一个示例的流程图；

图7是根据变型的冷却和加湿装置的解释性视图；

图8是根据变型的冷却和加湿装置的解释性视图；

图9是当在Z方向上观察时冷却和加湿装置的中空纤维隔膜的部分放大视图；

图10是根据变型的冷却和加湿装置的解释性视图；

图11是根据变型的冷却和加湿装置的解释性视图；并且

图12是冷却和加湿装置的加湿部的一部分的分解透视图。

具体实施方式

图1是燃料电池系统1(在下文中，称作系统)的概略视图。系统1包括控制装置10、燃料电池20、空气供给系统30、冷却系统40等。系统1向马达(未示意)等供给由燃料电池20产生的电力。控制装置10是包括CPU、ROM、RAM等的计算机，该控制装置10被电连接到以后描述的装置，并且控制整个系统1。另外，系统1包括用于向燃料电池20供给氢气的氢气供给系统(未示意)以及用于控制由燃料电池20产生的电力的电力控制系统。

空气供给系统30包括供给通路31、排出通路32、压缩机33、冷却和加湿装置5以及背压阀38。空气供给系统30向燃料电池20供给空气并且被如下构造。包含从大气获取的氧气的空气(阴极气体)经由供给通路31被压缩机33压缩，被以后详细地描述的冷却和加湿装置5的冷却部60冷却，并且被供给到燃料电池20。排出通路32向大气排出从燃料电池20排出的阴极废气。背压阀38调节燃料电池20的阴极侧上的背压。以后详细地描述的冷却和加湿装置5的加湿部70通过使用在通过排出通路32的阴极废气中包含的水分加湿通过供给通路31的阴极气体。压缩机33、冷却部60以及加湿部70被从上游侧按照这个次序布置在供给通路31上。加湿部70和背压阀38被从上游侧按照这个次序布置在排出通路32上。由压缩机33压缩的阴极气体的温度增加。

冷却系统40通过预定通路循环作为冷却剂的冷却水从而冷却燃料电池20，并且被如下构造。冷却剂被循环泵45通过循环通路41循环，被散热器46热交换和冷却，并且被供给到燃料电池20。旁通通路42从循环通路41分支并且绕过散热器46。三通阀47调节流过旁通通路42的冷却剂的流量。分配通路43从循环通路41分支成并且被连接到冷却部60，并且被再次连接到循环通路41。通过冷却部60的空气被冷却剂冷却。温度传感器48检测从燃料电池20排出的冷却剂的温度。此外，分配通路43在燃料电池20的上游侧上并且在三通阀47的下游侧上从循环通路41分支，并且在燃料电池20的下游侧上和在循环泵45的上游侧上与循环通路41汇合。

图2是示意冷却和加湿装置5的外观的概略透视图。另外，在图1中概略地示意的冷却和加湿装置5在形状方面不同于在图2中示意的冷却和加湿装置5，但是冷却和加湿装置5的形状不限于在图2中示意的形状。在图2中示意的Z方向示意竖直方向。X方向和Y方向每一个示意水平方向。在图2和以下附图中，实线箭头示意阴极气体流动的方向，虚线箭头示意阴极废气流动的方向，并且长短交替的短划箭头示意冷却水流动的方向。

冷却和加湿装置5包括外壳50，所述外壳50容纳冷却部60和加湿部70。外壳50具有基本长方体形状，并且包括下壁51、上壁52、左壁53、右壁54、前壁55以及后壁56。下壁51和上壁52在Z方向上面对彼此并且彼此平行。类似地，左壁53和右壁54在X方向上面对彼此并且彼此平行。前壁55和后壁56在Y方向上面对彼此并且彼此平行。下壁51设置有储水部51f。储水部51f与第一排水管道51d连接。第一排水管道51d设置有第一排水阀51e。上壁52设置有阴极气体出口(在下文中称作气体出口)52a。左壁53设置有阴极废气进口(在下文中称作废气进口)53b和冷却剂进口部53c。右壁54设置有阴极气体进口(在下文中称作气体进口)54a、阴极废气出口(在下文中称作废气出口)54b以及冷却剂出口部54c。第二排水管道54d被连接到右壁54。第二排水管道54d设置有第二排水阀54e。第一排水阀51e和第二排水阀54e是电连接到控制装置10并且由控制装置10控制的电磁阀。前壁55与压力调节管道55d连接。压力调节管道55d设置有止回阀55e。

冷却剂进口部53c和冷却剂出口部54c被设置于在竖直方向上基本相同高度的位置处。类似地，废气进口53b和废气出口54b被设置于在竖直方向上基本相同高度的位置处，但是废气进口53b和废气出口54b被定位在冷却剂进口部53c和冷却剂出口部54c的竖直上方。气体进口54a被定位在冷却剂出口部54c的竖直下方。第二排水管道54d被定位在冷却剂出口部54c的竖直上方并且被定位在废气出口54b的竖直下方。压力调节管道55d在比第二排水管道54d稍低的位置处被连接到前壁55。

冷却剂进口部53c包括管状部53c1和扩大部53c2。扩大部53c2与管状部53c1连通，具有比管状部53c1的直径大的直径，并且被连接到左壁53。类似地，冷却剂出口部54c包括管状部54c1和扩大部54c2。扩大部54c2与管状部54c1连通，具有比管状部54c1的直径大的直径，并且被连接到右壁54。

阴极气体被从气体进口54a引入外壳50中，在外壳50内竖直向上流动，并且被从气体出口52a排出。阴极废气被从废气进口53b引入外壳50中，在+X方向上在外壳50内流动，并且被从废气出口54b排出。冷却剂的冷却水被从冷却剂进口部53c引入外壳50中，在+X方向上流动，并且被从冷却剂出口部54c排出。气体进口54a和气体出口52a构造上述供给通路31的一部分。废气进口53b和废气出口54b构造排出通路32的一部分。冷却剂进口部53c和冷却剂出口部54c构造分配通路43的一部分。

图3和图4是示意外壳50的内部构造的视图。在外壳50中，加湿部70被布置在冷却部60的竖直上侧处，即，冷却部60的+Z方向侧处。首先，将描述冷却部60。冷却部60包括在冷却剂进口部53c和冷却剂出口部54c之间连通的管61。管61由高导热率的金属制成并且具有扁平管形状，轴向方向是X方向，并且在Z方向上的宽度大于在Y方向上的宽度。管61在Y方向上以预定间隔基本彼此平行地并排布置。管61的一端被连接到扩大部53c2，并且另一端被连接到扩大部54c2。管61与扩大部53c2和54c2内部连通，并且冷却水流过所述管61。冷却水从图4的前侧向后侧在管61的内部流动。此外，左壁53在被扩大部53c2覆盖的部分处设置有狭缝，与扩大部53c2连通的管61被分别插入所述狭缝中。类似地，右壁54在被扩大部54c2覆盖的部分处设置有狭缝，与扩大部54c2连通的管61被分别插入所述狭缝中。

在外壳50内，在冷却部60和下壁51之间限定下空间513。从气体进口54a引入的阴极气体通过下空间513向管61的外侧流动。因此，阴极气体在冷却部60中流动的流路由管61的外侧的空间限定。以这种方式，管61是在冷却部60中使冷却水流路与第一阴极气体流路分离的分隔壁的一个示例。气体进口54a通过下空间513与第一阴极气体连通。在这里，从气体进口54a引入的阴极气体被压缩机33压缩并且加热。因此，在管61的外侧流动的阴极气体和在管61内侧流动的冷却水热交换，使得阴极气体被冷却。另外，为了进一步有效率地冷却阴极气体，由金属制成的波纹形鳍片可以被设置在管61之间从而与管61接触。

接着，将描述加湿部70。加湿部70包括可渗水隔膜71。图5是当在Z方向上观察时可渗水隔膜71的部分截面视图。可渗水隔膜71朝向被定位在可渗水隔膜71的竖直下方的冷却部60延伸，该可渗水隔膜71的轴向方向基本与Z方向相同。可渗水隔膜71具有扁平管形状，该可渗水隔膜71在X方向上的宽度大于在Y方向上的宽度。类似于管61，可渗水隔膜71被在Y方向上以预定间隔基本彼此平行地并排布置，但是可渗水隔膜71的轴线在管61之间穿过。可渗水隔膜71不与左壁53的内表面接触，而是通过预定的左侧空间533面向左壁53的内表面，并且不与右壁54的内表面接触，而是通过预定的右侧空间543面向右壁54的内表面。

密封部件77和78被分别设置在可渗水隔膜71的竖直下侧和竖直上侧上。密封部件77和78被置入可渗水隔膜71之间。此外，密封部件77和78被形成为包围全部可渗水隔膜71。具体地，密封部件77和78还被置入前壁55和面对前壁55的可渗水隔膜71之间、后壁56和面对后壁56的可渗水隔膜71之间、左壁53和可渗水隔膜71的面对左壁53的端部之间以及右壁54和可渗水隔膜71的面对右壁54的端部之间。因此，可渗水隔膜71的外侧的空间与外壳50内的可渗水隔膜71的内侧的空间隔断。此外，密封部件77位于废气进口53b和废气出口54b的竖直下方，并且密封部件78位于废气进口53b和废气出口54b竖直上方。因此，从废气进口53b引入的阴极废气被从左侧空间533分布，向可渗水隔膜71的外侧流动，联结右侧空间543，并且被从废气出口54b排出。阴极废气从图4的前侧向后侧向可渗水隔膜71的外侧流动。因此，在加湿部70中，可渗水隔膜71的外侧的空间限定阴极废气流过的阴极废气流路。此外，废气进口53b通过左侧空间533与阴极废气流路连通，并且废气出口54b通过右侧空间543与阴极废气流路连通。密封部件77包括面对密封部件78的底表面771。密封部件77和78两者均由橡胶制成。密封部件77和78每一个不总是彼此一体地形成，而是可以通过组合橡胶部件而形成。底表面771是限定阴极废气流路的废气流路底表面的一个示例。

在外壳50内，在冷却部60和加湿部70之间限定了中间空间553，在中间空间553中，在Z方向上的高度比在X方向上的长度和在Y方向上的长度中的每一个短。类似地，在外壳50内在加湿部70和上壁52之间限定了上空间523，在上空间523中，在Z方向上的高度比在X方向上的长度和在Y方向上的长度中的每一个短。可渗水隔膜71的竖直下侧的开口端面对中间空间553，并且可渗水隔膜71的竖直上侧的开口端面对上空间523。因此，可渗水隔膜71的内侧的空间与中间空间553和上空间523连通。因此，在管61的外部流动的阴极气体通过中间空间553向可渗水隔膜71内侧流动，并且从可渗水隔膜71内侧排出的阴极气体被从气体出口52a通过上空间523排出。因此，在加湿部70中，可渗水隔膜71的内侧限定阴极气体流过的阴极气体流路。可渗水隔膜71是使阴极废气流路与第二阴极气体流路分离的可渗水构件的一个示例。此外，可渗水隔膜71具有管状形状，并且可渗水隔膜71的内侧限定第二阴极气体流路，并且它的轴向方向与水平方向交叉并且延伸到冷却部60。进而，上述第一阴极气体流路和第二阴极气体流路通过中间空间553彼此连通。因为密封部件77和78如上所述使得在外壳50内在可渗水隔膜71的外侧的空间不与在可渗水隔膜71内侧的空间连通，所以在外壳50内阴极气体不与阴极废气混合。

在这里，在可渗水隔膜71中，水分子根据在可渗水隔膜71内侧和外侧流动的气体的水蒸汽分压力的差异在隔膜内移动。在本实施例中，由压缩机33压缩并且在冷却部60中冷却的阴极气体向可渗水隔膜71的内侧流动，并且阴极废气向可渗水隔膜71的外侧流动。在这里，由于由燃料电池20的发电反应产生的水，阴极废气的水蒸汽分压力高于阴极气体的水蒸汽分压力。因此，在阴极废气中包含的水分通过可渗水隔膜71移动到阴极气体，这将阴极气体加湿。可渗水隔膜71由例如聚醚砜、聚酰亚胺、聚烯烃等制成。

接着，将描述储水部51f。储水部51f被设置在下壁51中并且具有在竖直方向上向下凹进的凹进形状。储水部51f具有被定位在下壁51的内表面的竖直下方的底表面51f1。在加湿部70中产生的冷凝水被存储在储水部51f中。例如，通过在管61的外侧流动，由压缩机33压缩并且加热的阴极气体被冷却，并且冷却的阴极气体被可渗水隔膜71加湿到使得水蒸汽量超过饱和水蒸汽量的这种程度，并且然后冷凝水经常在可渗水隔膜71的内表面上产生。在这里，可渗水隔膜71具有扁平管状形状，换言之，其中该可渗水隔膜71的轴向方向与Z方向的竖直方向基本相同，并且可渗水隔膜71与水平方向交叉并且朝向冷却部60延伸。因此，例如，在燃料电池20的发电被停止之后，冷凝水在可渗水隔膜71的内表面上产生，并且冷凝水由于重力而沿着可渗水隔膜71的内表面在竖直方向上滴落，并且然后冷凝水在管61之间通过并且被存储在储水部51f中。以此方式，可渗水隔膜71的排泄得到改进。例如，如果可渗水隔膜71的轴向方向被布置成与水平方向相同，则系统1在冷凝水附着到可渗水隔膜71的情况下被停止，并且根据外部空气温度，冷凝水可能结冰。当冷凝水结冰时，它的体积增加，因此压力被施加到可渗水隔膜71。在可渗水隔膜71上冷凝水的这种结冰的反复可能损坏可渗水隔膜71。因为在本实施例中可渗水隔膜71的排泄得到改进，所以抑制了这种问题的发生。

由于施加到冷却和加湿装置5的振动并且由于阴极气体在外壳50内的流动，附着到管61的内表面和下壁51的冷凝水被收集在储水部51f中。以此方式，因为冷凝水被收集在一个位置中而不被分散，所以例如抑制了阴极气体被由阴极气体吹走的、分散在下壁51的内表面上的冷凝水过度地加湿。此外，储水部51f的底表面51f1被定位在下壁51的内表面的除了储水部51f之外的部分的竖直下方。因此，阴极气体沿着下壁51的内表面流动而不受存储在储水部51f中的水所影响。这抑制了由于被阴极气体吹走的、存储在储水部51f中的水而将阴极气体过度加湿。底表面51f1具有垂直于Z方向的平面形状，但是不限于此，并且底表面51f1可以例如是向中心沿着竖直方向向下倾斜的锥形表面。

管61由平坦外侧平面构成。在外侧平面中每一个具有最大面积的外侧平面是面对彼此的管61的表面，并且与水平方向交叉，即，沿着竖直方向布置。例如，如果具有最大面积的这种外侧平面每一个均平行于水平方向，则从可渗水隔膜71滴落的冷凝水可能保留在外侧平面上并且可能被阴极气体吹走。在本实施例中，因为这种外侧平面在竖直方向上，所以附着到外侧平面的冷凝水易于朝向下壁51流动。以此方式，从管61的排泄得以确保。

气体进口54a被定位在包括底表面51f1的下壁51的内表面的竖直上方。因此，防止了阴极气体与存储在储水部51f中的水或者附着到除了储水部51f之外的下壁51的内表面的水碰撞。此外，因为气体进口54a被定位在冷却部60的竖直下方，所以从气体进口54a引入外壳50中的阴极气体能够被冷却部60冷却。另外，虽然气体进口54a被设置在右壁54中，但是只要气体进口54a被定位在下壁51的内表面的至少一部分的竖直上方并且被定位在冷却部60的竖直下方，则气体进口54a可以被设置在左壁53、前壁55和后壁56中的任何一个中。

储水部51f设置有用于检测储水量的传感器51g。具体地，传感器51g通过检测存储在储水部51f中的水的液位高度来检测储水量。传感器51g被电连接到控制装置10。第一排水管道51d被连接到底表面51f1。设置在第一排水管道51d中的第一排水阀51e被控制成根据传感器51g的检测结果由控制装置10打开和关闭。第一排水阀51e的打开使得存储在储水部51f中的水通过第一排水管道51d被排出到外部。从储水部51f的排泄控制将在以后描述。

第二排水管道54d与右侧空间543连通，并且右侧空间543如上所述与可渗水隔膜71的外侧的空间连通。即，第二排水管道54d通过加湿部70中的右侧空间543与阴极废气流路连通。虽然在可渗水隔膜71的外侧产生的冷凝水被存储在阴极废气流路和右侧空间543中，但是第二排水阀54e的打开使得这种冷凝水通过第二排水管道54d被排出到外部。例如，当燃料电池20的发电时间等于或者大于阈值时，第二排水阀54e可以被控制成打开预定时间。另外，在左壁53、右壁54、前壁55和后壁56中，第二排水管道54d被设置在位于阴极废气的最下游侧上的右壁54中。因此，阴极废气促进冷凝水向右壁54的移动。因此，冷凝水能够被有效率地从第二排水管道54d排出到外部。此外，第二排水管道54d被设置在与密封部件77的底表面771相同的高度处。具体地，第二排水管道54d的内表面在竖直下侧上的部分和底表面771被设置成在X方向上彼此连续。因此，在可渗水隔膜71的外侧产生的冷凝水能够被从底表面771引导到第二排水管道54d。第二排水管道54d的内表面在竖直下侧上的部分的高度可以低于底表面771的高度。

压力调节管道55d与中间空间553连通。止回阀55e允许气体从外壳50的内部移到外部，但是限制反向流动。当外壳50中的阴极气体的压力等于或者大于预定值时，止回阀55e打开。这抑制了外壳50中的压力过度地增加。另外，根据压缩机33对阴极气体的可压缩性和冷却部60对阴极气体的冷却性能，外壳50中的阴极气体的压力的增加能够受到抑制。在这种情形下，可以不设置压力调节管道55d或止回阀55e。

接着，将描述从储水部51f的排泄控制。图6是示意排泄控制的一个示例的流程图。首先，判定燃料电池20的发电是否被停止(步骤S1)。当作出否定的判定时，该控制结束。当作出肯定的判定时，基于来自传感器51g的检测结果判定储水部51f中的储水量是否等于或者大于第一阈值(步骤S2)。当作出否定的判定时，该控制结束。当作出肯定的判定时，第一排水阀51e打开(步骤S3)，由此储水部51f中的存储水通过第一排水管道51d被排出到外部。接着，判定储水部51f中的储水量是否等于或者小于第二阈值(步骤S4)。第二阈值可以例如为零，但是不限于此，并且第二阈值可以是近似零的微小值。当作出否定的判定时，步骤S4的处理被再次执行。当作出肯定的判定时，第一排水阀51e关闭(步骤S5)。以此方式，排泄控制得以执行。如上所述，当燃料电池20的发电被停止时，第一排水阀51e打开。这抑制了由于在燃料电池20的发电期间引入外壳50中的阴极气体与存储在储水部51f中的水从第一排水管道51d一起排出到外部的事实而使得将被供给到燃料电池20的阴极气体的量的降低。

在这里，控制装置10经常通过使用由压缩机33压缩的阴极气体执行清除控制以在停止燃料电池20的发电时增强从燃料电池20的排泄。关于清除控制，水理想地不仅从燃料电池20而且还从供给通路31、冷却和加湿装置5和排出通路32排出到外部。因此，压缩机33的电力消耗被设定为是大的。利用本实施例中的上述用于打开第一排水阀51e的排泄控制，冷却和加湿装置5中的大部分水能够被排出到外部。因此，即使在压缩机33在清除控制中的电力消耗小的情形下，在冷却和加湿装置5中以及在燃料电池20、供给通路31和排出通路32中的水仍然能够被排出到外部。关于燃料电池20的清除控制的执行，排泄控制可以在燃料电池20的发电停止之后执行，并且然后清除控制可以执行。这是因为，当在冷却和加湿装置5中的冷凝水被排出之前执行燃料电池20的清除控制时，冷却和加湿装置5中的冷凝水被引入燃料电池20中，这可能增加燃料电池20的清除控制要求的电力消耗。

另外，在打开第一排水阀51e时，压缩机33可以暂时地操作，以将阴极气体引入外壳50中，从而增大外壳50中的压力。在管61之间和在可渗水隔膜71之间流动的阴极气体的压力损失是相对大的。因此，即刻地在阴极气体被引入外壳50中之后，在阴极气体在管61之间和在可渗水隔膜71之间流动并且被从外壳50排出之前，下空间513中的压力增加并且阴极气体的压力施加在储水部51f中的存储水的液体表面上。通过当阴极气体的压力施加在存储水的液体表面上时打开第一排水阀51e，存储水从第一排水管道51d的排泄能够得到增强。此外，排泄控制可以与上述清除控制一起执行。

作为步骤S2到S5的处理的替代，例如，当从当以前执行排泄时的时间起燃料电池20的发电的累积时段大于阈值时，可以通过将第一排水阀51e打开预定时段来执行排泄。可替代地，当从以前的排泄执行起累积的、供给到燃料电池20的阴极气体的流量大于阈值时，可以通过将第一排水阀51e打开预定时间来执行排泄。在此情形下，可以不设置传感器51g。

在本实施例中，可渗水隔膜71的轴向方向与竖直方向基本相同，但是不限于此。例如，即使在可渗水隔膜71的轴向方向相对于竖直方向倾斜的情形下，轴向方向仍然可以是与水平方向交叉并且延伸到冷却部60的任何方向。这是因为，即使在此情形下，因为可渗水隔膜71的轴向方向与水平方向交叉，所以在可渗水隔膜71的内侧产生的冷凝水仍然能够由于重力而通过可渗水隔膜71的内表面向下移动，并且因为可渗水隔膜71的轴向方向延伸到冷却部60，所以冷凝水能够从可渗水隔膜71滴落并且能够被排出到冷却部60。附带说一句，可渗水隔膜71的轴向方向延伸到冷却部60的事实与可渗水隔膜71的轴向方向与冷却部60交叉的事实具有相同的含义。

在本实施例中，密封部件77和78限制阴极气体和阴极废气的混合，但是，用于限制这两种气体的混合的装置不限于这种密封部件77和78。例如，在可渗水隔膜71被如上所述并排地布置的状态下，竖直上端的侧表面可以彼此结合，并且竖直下端的侧表面可以彼此结合。这允许阴极废气在不彼此结合的可渗水隔膜71的竖直上端和竖直下端之间流动，同时防止阴极气体从竖直下侧在可渗水隔膜71之间流动。

在本实施例中，设置了储水部51f，但是，本发明不限于这种构造。例如，下壁可以具有平坦形状而不设置储水部51f，并且第一排水管道51d和第一排水阀51e可以被设置在平坦的下壁中。在此情形下，下壁上的存储水能够被排出到外壳外部。还在此情形下，为了检测存储在下壁上的水量，传感器51g可以被设置在下壁中，或者传感器51g可以在靠近下壁的部分处被设置在左壁、右壁、前壁和后壁中的任何一个中。

管61具有扁平管状形状，但是，它不限于这种形状，并且可以是柱形形状或者矩形管形状。

接着，将描述根据变型的冷却和加湿装置。在该变型中，相同的附图标记被赋予与上述实施例的构造相同的构造，并且省略重复说明。图7是根据变型的冷却和加湿装置5’的解释性视图。图7是类似于图3的截面视图。图3示意在管61和可渗水隔膜71的内侧之间的空间，而图7示意管61的内侧和在可渗水隔膜71之间的空间。还在这个变型中，因为可渗水隔膜71的轴向方向与水平方向交叉并且可渗水隔膜71朝向冷却部60延伸，所以可渗水隔膜71的排泄得以确保。

如与上述冷却和加湿装置5相比较，根据这个变型的冷却和加湿装置5’被布置在相对于Z方向稍微倾斜的姿态中。具体地，外壳50’被布置在倾斜姿态中，使得左壁53面向上并且右壁54面向下。因此，下壁51被布置在从左壁53到右壁54向下倾斜的姿态中。在这里，与左壁53相比，储水部51f’更加靠近右壁54形成。因此，附着到下壁51的冷凝水易于通过重力朝向储水部51f’流动，并且能够有效率地被储水部51f’收集。此外，气体进口54a被定位在作为下壁51的内表面的至少一部分的底表面51f1的竖直上方，由此抑制由于被阴极气体吹走的、存储在储水部51f中的水而使得阴极气体过度加湿。

密封部件77也被布置在从左壁53到右壁54向下倾斜的姿态中。因此，例如，在密封部件77和78之间以及在可渗水隔膜71的外侧流动的阴极废气中包含的水分被冷凝，并且附着到可渗水隔膜71的外表面的冷凝水由于重力而滴落到密封部件77的上表面，并且冷凝水从左壁53到右壁54在密封部件77的上表面上移动。而且，因为阴极废气从废气进口53b到废气出口54b’在密封部件77的上表面上流动，所以冷凝水向废气出口54b’的流动得到增强。在这里，废气出口54b’被设置成使得废气出口54b’的内表面的竖直下侧的一部分与底表面771连续。这便于将在可渗水隔膜71的外侧产生的冷凝水从底表面771引导到废气出口54b’。废气出口54b’的内表面的竖直下侧的该部分的高度可以低于底表面771的高度。以以上方式，在可渗水隔膜71的外侧产生的冷凝水从废气出口54b’的排泄得以增强。即使利用这种构造，可渗水隔膜71的排泄仍然得以确保，这抑制了由附着到可渗水隔膜71的冷凝水的结冰引起的、对可渗水隔膜71的损坏。

在这个变型中，在可渗水隔膜71的外侧产生的冷凝水的排泄如上所述得到改进，从而与上述本实施例不同，不设置第二排水管道54d和第二排水阀54e。因此，这个变型抑制了结构的尺寸的增加和复杂度的增加。此外，在这个变型中，第一排水管道51d和第一排水阀51e未被设置在储水部51f’中，但是可以第一排水管道51d和第一排水阀51e。此外，在这个变型中，可以不设置储水部51f’。

图8是根据变型的冷却和加湿装置5a的解释性视图，并且是对应于图3的截面视图。图9是当在Z方向上观察时冷却和加湿装置5a的中空纤维隔膜71a的部分放大视图，并且对应于图5。冷却和加湿装置5a垂直于X方向的截面视图类似于图4并且因此未示意。作为每一个具有扁平管状形状的可渗水隔膜71的替代，冷却和加湿装置5a的加湿部70a使用每一个具有其中轴向方向在Z方向上延伸的基本柱形形状的中空纤维隔膜71a。中空纤维隔膜71a被在X方向上和在Y方向上以预定间隔基本彼此平行地布置。中空纤维隔膜71a的轴向方向基本与Z方向相同，并且与作为水平方向的X方向和Y方向交叉。中空纤维隔膜71a也由与上述可渗水隔膜71相同的材料制成。

密封部件77a和78a被分别设置在中空纤维隔膜71a的竖直下侧和竖直上侧上。密封部件77a和78a被置入中空纤维隔膜71a之间。此外，密封部件77a和78a每一个被形成为包围整个中空纤维隔膜71a。具体地，密封部件77a和78a也被置入前壁55和面对前壁55的中空纤维隔膜71a之间、后壁56和面对后壁56的中空纤维隔膜71a之间、左壁53和面对左壁53的中空纤维隔膜71a之间以及右壁54和面对右壁54的中空纤维隔膜71a之间。因此，在外壳50内在中空纤维隔膜71a的外侧的空间与中空纤维隔膜71a的内侧的空间隔断。因此，阴极废气在中空纤维隔膜71a是外侧流动，并且阴极气体在中空纤维隔膜71a的内侧流动。因此，中空纤维隔膜71a是使第二阴极气体流路与阴极废气流路分离的可渗水构件的一个示例。另外，中空纤维隔膜71a具有管状形状，并且中空纤维隔膜71a的内侧限定第二阴极气体流路，并且中空纤维隔膜71a的轴向方向与水平方向交叉并且延伸到冷却部60。

因为阴极气体在中空纤维隔膜71a的内侧流动并且阴极废气在中空纤维隔膜71a的外侧流动，所以阴极气体被在阴极废气中包含的水分加湿。此外，如上所述，中空纤维隔膜71a也具有基本柱形形状，并且中空纤维隔膜71a的轴向方向与水平方向交叉并且朝向冷却部60延伸。因此，确保了中空纤维隔膜71a的排泄。

而且在这个变型中，中空纤维隔膜71a的轴向方向也基本与竖直方向相同，但是不限于此。即使在中空纤维隔膜71a的轴向方向相对于竖直方向倾斜的情形下，轴向方向仍然可以是与水平方向交叉并且延伸到冷却部60的任何方向。

接着，将描述根据另一个变型的冷却和加湿装置。图10和图11是根据变型的冷却和加湿装置5b的解释性视图，并且分别对应于图3和图4。图12是冷却和加湿装置5b的加湿部70b的一部分的分解透视图。作为上述扁平管形可渗水隔膜71的替代，冷却和加湿装置5b的加湿部70b使用扁平可渗水隔膜71b与分离器72和74。分离器72和74可以由金属或者合成树脂制成。分离器72和74被在Y方向上并排地交替布置。可渗水隔膜71b被布置在分离器72和74之间。可渗水隔膜71b与分离器72和74被布置成使它们的厚度方向是Y方向。虽然可渗水隔膜71b也由与以上可渗水隔膜71相同的材料制成，但是可渗水隔膜71b可以是在例如燃料电池20使用中的电解质膜。图12仅仅示意可渗水隔膜71b与分离器72和74的一部分。

如在图12中示意地，分离器72的一个表面设置有在X方向上交替布置的凹形表面721和凸形表面723，并且分离器72的另一个表面设置有在X方向上交替布置的凸形表面722和凹形表面724。凹形表面721和凸形表面723的相对的表面分别对应于凸形表面722和凹形表面724。凹形表面721和724与凸形表面722和723在Z方向上延伸。因此，当在Z方向上观察时，分离器72具有波状。凹形表面721不与布置在分离器72的一侧上的可渗水隔膜71b接触，但是凸形表面723与可渗水隔膜71b接触。凸形表面722与布置在分离器72的另一侧上的可渗水隔膜71b接触，但是凹形表面724不与可渗水隔膜71b接触。具有平板形状的左端727在分离器72的左壁53侧中形成。具有平板形状的右端728也在分离器72的右壁54侧中形成。左端727和右端728将在以后描述。在图12中，凹形表面721和凸形表面723在前侧上，并且凸形表面722和凹形表面724在后侧上。

分离器74具有类似于分离器72的形状的形状，但是当在X方向上观察时，分离器74具有波状。具体地，分离器74的一个表面设置有在Z方向上交替布置的凹形表面741和凸形表面743，并且另一个表面设置有在Z方向上交替布置的凸形表面742和凹形表面744。与凹形表面741和凸形表面743相对的表面分别对应于凸形表面742和凹形表面744。凹形表面741和744与凸形表面742和743在Z方向上延伸。凹形表面741不与布置在分离器74的一侧上的可渗水隔膜71b接触，但是凸形表面743与可渗水隔膜71b接触。凸形表面742与布置在分离器74的另一侧上的可渗水隔膜71b接触，但是凹形表面744不与可渗水隔膜71b接触。在图12中，凹形表面741和凸形表面743在前侧上，并且凸形表面742和凹形表面744在后侧上。

具有平板形状的下端747在分离器74的竖直下侧上形成，并且，具有平板形状的上端748也在分离器74的竖直上侧上形成。下端747和上端748被形成为不接触分别位于分离器74的两侧上的该两个可渗水隔膜71b中的任何一个。如在图11中示意地，密封部件77b被置入下端747和布置在下端747的一侧上的可渗水隔膜71b之间，并且被置入下端747和布置在下端747的另一侧上的可渗水隔膜71b之间。类似地，密封部件78b被置入上端748和布置在上端748的一侧上的可渗水隔膜71b之间，并且被置入上端748和布置在上端748的另一侧上的可渗水隔膜71b之间。密封部件77b被结合到下端747和可渗水隔膜71b，并且密封部件78b被结合到上端748和可渗水隔膜71b。因此，防止了阴极气体从左侧空间533进入可渗水隔膜71b和分离器74之间。

如在图10中示意地，分离器74被以限定左侧空间533和右侧空间543的预定距离与左壁53和右壁54中的每一个间隔开。分别在加湿部70b的竖直下侧和竖直上侧上，密封部件77b和78b分别包围整个分离器74、可渗水隔膜71b以及分离器72。具体地，密封部件77b和78b被置入前壁55和面对前壁55的分离器74之间，后壁56和面对后壁56的分离器74之间，左壁53、面对左壁53的分离器74、可渗水隔膜71b和分离器72的端部之间，以及右壁54、面对右壁54的分离器74、可渗水隔膜71b和分离器72的端部之间。

分离器72的左端727和右端728被形成为不接触分别位于分离器72的两侧上的该两个可渗水隔膜71b中的任何一个。如在图10中示意地，密封部件77c被置入左端727和布置在左端727的一侧上的可渗水隔膜71b之间，并且被置入左端727和布置在左端727的另一侧上的可渗水隔膜71b之间。类似地，密封部件78c被置入右端728和布置在右端728的一侧上的可渗水隔膜71b之间，并且被置入右端728和布置在右端728的另一侧上的可渗水隔膜71b之间。密封部件77c和78c每一个被设置在分离器72和可渗水隔膜71b之间。密封部件77c和78c每一个具有在Z方向上延伸的矩形柱形状。密封部件77c被结合到左端727和可渗水隔膜71b。密封部件78c被结合到右端728和可渗水隔膜71b。因此，防止了阴极废气从左侧空间533进入可渗水隔膜71b和分离器72之间。另外，左端727和密封部件77c被以预定距离与左壁53间隔开。类似地，右端728和密封部件78c被以预定距离与右壁54间隔开。

除了分离器74、可渗水隔膜71b和分离器72之外密封部件77c和78c还被上述密封部件77b和78b包围。在这里，在Z方向上延伸的分离器72的凹形表面721和724的两端分别面对中间空间553和上空间523。类似地，在X方向上延伸的分离器74的凹形表面721和724的两端分别面对左侧空间533和右侧空间543。因此，阴极气体按照这个次序流过的中间空间553、分离器72和可渗水隔膜71b之间的空间以及上空间523，不与阴极废气按照这个次序流过的左侧空间533、分离器74和可渗水隔膜71b之间的空间以及右侧空间543连通。

因此，从废气进口53b引入的阴极废气被分布在左侧空间533中并且沿着分离器74的凹形表面741和凸形表面742流动，并且从凹形表面741和凸形表面742排出的、被分布的阴极废气在右侧空间543中相互汇合，并且汇合的阴极废气被从废气出口54b排出。相应地，阴极废气在布置在分离器74的一侧上的可渗水隔膜71b和凹形表面741之间和在布置在分离器74的另一侧上的可渗水隔膜71b和凸形表面742之间流动。因此，可渗水隔膜71b是将第二阴极气体流路与阴极废气流路分离的可渗水构件的一个示例。此外，可渗水隔膜71b具有平面形状，该可渗水隔膜71b的一侧限定第二阴极气体流动通道，并且该平面形状的平表面与水平方向交叉并且延伸到冷却部60。

以这种方式，阴极气体在可渗水隔膜71b的一侧上流动，并且阴极废气在可渗水隔膜71b的另一侧上流动，这将阴极气体加湿。此外，可渗水隔膜71b具有平坦形状，其中该可渗水隔膜71b的平面方向与作为水平方向的X方向和Y方向交叉，并且该平坦形状延伸到冷却部60。因此，附着到可渗水隔膜71b的表面的冷凝水滴落到实际上向下的一侧，阴极气体沿所述表面流动，这确保了可渗水隔膜71b的排泄。

在这个变型中，可渗水隔膜71b的平面方向被包括在竖直方向中，但是不限于此。即使在可渗水隔膜71b的平面方向相对于竖直方向倾斜的情形下，该平面方向仍然可以是与水平方向交叉并且延伸到冷却部60的任何方向。在这个变型中，与上述实施例不同，不设置压力调节管道55d和止回阀55e，但是可以设置压力调节管道55d和止回阀55e。

虽然已经详细描述了本发明的一些实施例，但是本发明不限于具体实施例，而是可以在要求保护的本发明的范围内更改或者改变。

在实施例和变型中，用于冷却燃料电池20的冷却水被用作冷却部60的冷却剂，但是本发明不限于此。例如，用于冷却除了燃料电池20之外的电子构件的冷却水可以被用作冷却部60的冷却剂。此外，冷却部60可以是使用空气作为冷却剂的空气冷却类型。

Claims (10)

1.一种冷却和加湿装置，包括：

冷却部，所述冷却部包括：冷却剂流路，冷却剂流过所述冷却剂流路；第一阴极气体流路，将被供给到燃料电池的阴极气体流过所述第一阴极气体流路；以及分隔壁，所述分隔壁使所述冷却剂流路与所述第一阴极气体流路分离，所述冷却部通过在所述阴极气体和所述冷却剂之间交换热来冷却所述阴极气体；

加湿部，所述加湿部包括：第二阴极气体流路，所述阴极气体流过所述第二阴极气体流路；阴极废气流路，从所述燃料电池排出的阴极废气流过所述阴极废气流路；以及可渗水构件，所述可渗水构件使所述第二阴极气体流路与所述阴极废气流路分离，所述加湿部通过使用在所述阴极废气中包含的水分来加湿所述阴极气体；以及

外壳，所述外壳包括与所述第一阴极气体流路连通的阴极气体进口，并且所述外壳容纳所述冷却部和所述加湿部，使得所述第一阴极气体流路和所述第二阴极气体流路彼此连通并且所述第二阴极气体流路被定位在所述第一阴极气体流路的竖直上方，

其中：

所述可渗水构件具有在所述可渗水构件的内侧上限定所述第二阴极气体流路的管状形状，并且所述管状形状的轴向方向与水平方向交叉并且朝向所述冷却部延伸，或者所述可渗水构件具有在所述可渗水构件的一侧上限定所述第二阴极气体流路的平面形状，并且所述平面形状的平表面与所述水平方向交叉并且朝向所述冷却部延伸，

所述外壳包括被定位在所述冷却部的竖直下方的下壁，并且

所述阴极气体进口被定位在所述下壁的内表面的至少一部分的竖直上方以及所述冷却部的竖直下方。

2.根据权利要求1所述的冷却和加湿装置，其中，所述下壁包括储水部，所述储水部具有竖直向下凹进的凹部。

3.根据权利要求1所述的冷却和加湿装置，还包括第一排水阀，所述第一排水阀向所述外壳的外部排出存储在所述下壁上的水。

4.根据权利要求2所述的冷却和加湿装置，还包括第一排水阀，所述第一排水阀向所述外壳的外部排泄存储在所述储水部中的水。

5.根据权利要求3或4所述的冷却和加湿装置，还包括传感器，所述传感器检测存储在所述下壁上的水量，

其中，所述第一排水阀被控制成根据所述传感器的检测结果打开和关闭。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的冷却和加湿装置，其中：

所述外壳包括废气进口及废气出口，所述废气进口及所述废气出口与所述阴极废气流路连通，

所述加湿部包括废气流路底表面，所述废气流路底表面限定所述阴极废气流路，并且

所述废气流路底表面从所述废气进口向所述废气出口斜着向下地倾斜。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的冷却和加湿装置，其中：

所述外壳包括废气出口，所述废气出口与所述阴极废气流路连通，

所述加湿部包括废气流路底表面，所述废气流路底表面限定所述阴极废气流路，并且

所述废气出口被设置在等于或低于所述废气流路底表面的高度的高度处。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的冷却和加湿装置，还包括第二排水阀，所述第二排水阀从所述阴极废气流路向所述外壳的外部排出水。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的冷却和加湿装置，其中，所述冷却剂冷却所述燃料电池。

10.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池；以及

冷却和加湿装置，

其中：

所述冷却和加湿装置包括：

冷却部，所述冷却部包括：冷却剂流路，冷却剂流过所述冷却剂流路；第一阴极气体流路，将被供给到所述燃料电池的阴极气体流过所述第一阴极气体流路；以及分隔壁，所述分隔壁使所述冷却剂流路与所述第一阴极气体流路分离，所述冷却部通过在所述阴极气体和所述冷却剂之间交换热来冷却所述阴极气体；

加湿部，所述加湿部包括：第二阴极气体流路，所述阴极气体流过所述第二阴极气体流路；阴极废气流路，从所述燃料电池排出的阴极废气流过所述阴极废气流路；以及可渗水构件，所述可渗水构件使所述第二阴极气体流路与所述阴极废气流路分离，所述加湿部通过使用在所述阴极废气中包含的水分来加湿所述阴极气体；以及

外壳，所述外壳包括与所述第一阴极气体流路连通的阴极气体进口，并且所述外壳容纳所述冷却部和所述加湿部，使得所述第一阴极气体流路和所述第二阴极气体流路彼此连通并且所述第二阴极气体流路被定位在所述第一阴极气体流路的竖直上方，

所述可渗水构件具有在所述可渗水构件的内侧上限定所述第二阴极气体流路的管状形状，并且所述管状形状的轴向方向与水平方向交叉并且朝向所述冷却部延伸，或者所述可渗水构件具有在所述可渗水构件的一侧上限定所述第二阴极气体流路的平面形状，并且所述平面形状的平表面与所述水平方向交叉并且朝向所述冷却部延伸，

所述外壳包括被定位在所述冷却部的竖直下方的下壁，并且

所述阴极气体进口被定位在所述下壁的内表面的至少一部分的竖直上方以及所述冷却部的竖直下方。