CN110462905B - 燃料电池加湿器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池加湿器，可以完全或基本上完全防止冷凝水进入运行的燃料电池堆。燃料电池加湿器包括壳体；布置在壳体内的多个中空纤维膜；盖，其连接到壳体的一端并具有用于将加湿的空气供应到燃料电池堆的空气排出口；和旁通管，用于将由加湿的空气产生的冷凝水传递到排放气体流动通过的壳体的内部空间，其中旁通管的第一端设置在空气排出口内，并且旁通管通过旁通管的第二端与壳体的内部空间流体连通。

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，更具体地，涉及一种可以完全或基本上完全防止冷凝水流入运行中的燃料电池堆的燃料电池加湿器。
背景技术
燃料电池是通过使作为燃料的氢气与空气中的氧气反应来产生水时发电的装置。高纯度氢气从储氢罐供应到燃料电池堆的阳极，并且大气中的空气通过诸如鼓风机的空气供应装置供应到燃料电池堆的阴极。
供应到燃料电池堆的阳极的氢气被分离成氢离子和电子。氢离子穿过阳极和阴极之间的聚合物电解质膜移动到阴极，并且电子通过外部导体移动到阴极。供应到燃料电池堆阴极的氧气在与电子和氢离子结合产生水时产生电能。
当燃料电池堆的聚合物电解质膜的离子传导性较高时，则氢离子更容易从阳极转移到阴极。聚合物电解质膜的离子传导性与水含量密切相关。也就是说，当聚合物电解质膜被充分润湿时，氢离子可以更好地从阳极转移到阴极。
因此，当燃料电池运行时，必须通过向聚合物电解质膜连续供应水分来将水含量保持在一定水平，从而防止燃料电池的发电效率迅速降低。为此目的，使用可以向供应到燃料电池堆的阴极的空气提供水分的加湿器。
燃料电池加湿器利用从电池堆的阴极排出的废气中的水分对从外部供应的空气进行加湿，并将加湿的空气供应到电池堆的阴极。
当加湿的空气接触加湿器的物理结构时(例如，用于加湿的中空纤维膜、加湿的空气流动通过的通道结构等)，在加湿器中不可避免地产生冷凝水。当冷凝水流入运行中的燃料电池堆时，会导致发电效率降低。因此，希望采取措施防止冷凝水流入运行中的燃料电池堆。
美国专利No.7,264,233(下文中称为'233专利)公开了一种加湿器1，其能够将滞留在下游头部3内的液体池区域33中的冷凝水转移，加湿空气通过该下游头部3流动到废气流过的引入歧管5中。为此目的，'233专利的加湿器1包括连通管6，用于连接冷凝水滞留的液体池区域33和引入歧管5。也就是说，假设冷凝水通过重力落下必然收集在下游头部3内的下部区域(称为“液池区域”)33中。
然而，在'233专利中，显而易见的是，(i)冷凝水甚至在进行加湿的中空纤维膜42内产生，和(ii)当通过从低电流模式到高电流模式的切换在高压下突然供应外部空气时，在中空纤维膜42中停滞的冷凝水与高压空气一起从中空纤维膜42排出，然后立即从加湿器1排出而不通过下游头部3内的液体池区域流入燃料电池堆。也就是说，在'233专利中，仍然可能迫使相当大量的冷凝水流入运行中的燃料电池堆，从而不能防止发电效率的降低。
此外，由于'233专利的形成在下游头部3上的传送通道6暴露于外部，因此冷凝水在恶劣的寒冷环境中在连通管6中冻结的风险很高。连通管6中的冷凝水的冻结可能干扰在下游头部3内部的液体池区域33中停滞的冷凝水通过连通管6从液池区域33排出，结果冷凝水流入燃料电池堆，从而导致发电效率降低。
发明内容
因此，本发明涉及一种能够防止由现有技术的上述限制和缺点引起的问题的燃料电池加湿器。
本发明的一个方面是提供一种能够完全或基本上完全防止冷凝水流入运行中的燃料电池堆中的燃料电池加湿器。
除了本发明的前述方面之外，本发明的其他特征和优点将在下文描述，或者本发明所属领域的技术人员将从该说明中清楚地理解。
根据如上的本发明的一个方面，提供了一种燃料电池加湿器，用于利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气并将加湿的空气供应到燃料电池堆，包括：加湿模块，包括壳体和布置在壳体中的多个中空纤维膜；第一盖，具有用于将加湿的空气供应到燃料电池堆的空气排出口并且连接到加湿模块的第一终端，空气排出口与加湿模块间隔开；和旁通管，用于将由加湿的空气产生的冷凝水传递到废气流动通过的壳体内部空间，并且旁通管的第一端位于空气排出口中，并且旁通管是通过旁通管的第二端与壳体的内部空间流体连通。
燃料电池加湿器还可包括第二盖，该第二盖具有用于接收从外部供应的空气的空气进入口，并且在第一终端的相反侧处连接到加湿模块的第二终端。
由第一盖的内表面和加湿模块的第一终端限定的第一盖的内部空间和由第二盖的内表面和加湿模块的第二终端限定的第二盖的内部空间可以仅通过中空纤维膜的内腔彼此流体连通。
壳体可具有用于接收来自燃料电池堆的废气的废气进入口和用于排放废气的废气排出口。
壳体可包括：第一壳体，包括中空纤维膜；以及第二壳体，包围第一壳体并包括废气进入口和所述废气排出口，并且第一壳体可具有对应于废气进入口的第一组开口和对应于废气排出口的第二组开口。
中空纤维膜可包括两个或更多个中空纤维膜束，壳体可包括两个或更多个第一壳体，该第一壳体分别包括两个或更多个中空纤维膜束；第二壳体围绕第一壳体并具有废气进入口和废气排出口，并且每个第一壳体可以具有对应于所述废气进入口的第一组开口和对应于所述废气排出口的第二组开口。
冷凝水可以在第一盖的内部空间中产生，或者可以从中空纤维膜流入第一盖的内部空间，然后可以通过旁通管传递到壳体的内部空间。
空气排出口的纵向方向和中空纤维膜的纵向方向可以不彼此平行。
第一盖可以具有肋，该肋构造成防止冷凝水通过空气排出口传递到燃料电池堆，肋设置在空气排出口中，并且旁通管的第一端可以位于与肋相邻的位置。
可以在空气排出口的内表面上形成用于为冷凝水提供螺旋路径的螺纹。
旁通管的第一端可以邻近螺纹的终端部分定位，以便将流入空气排出口通过所述螺旋路径到达所述螺纹的终端部分的冷凝水传递到所述壳体的内部空间。
旁通管可包括固定到第一盖的第一管；固定到加湿模块的第二管，第一和第二管可以可拆卸地连接。
旁通管可以不暴露在外部。
应当理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅旨在说明或解释本发明，并且提供权利要求的公开内容的更详细的描述。
根据本发明，由于加湿的空气的冷凝而产生的所有冷凝水，即，不仅在第一盖的内部空间中产生的冷凝水，而且还在中空纤维膜的内腔中产生的流入第一盖的内部空间的冷凝水，可以被传递到壳体的内部空间(即，废气流动的空间)，从而完全或基本上完全防止冷凝水流入运行中的燃料电池堆。因此，可以防止由于冷凝水流入燃料电池堆而导致的发电效率降低。
此外，根据本发明的实施例，由于本发明的旁通管不暴露于外部，因此即使在寒冷的环境中也可以防止旁通管中的冷凝水冻结。因此，可以防止冷凝水流入燃料电池堆而不会由于旁通管中的冷凝水的冻结而绕行。
附图说明
附图旨在帮助理解本发明并构成本说明书的一部分，并且举例说明本发明的实施例，并且与本发明的详细说明一起解释本发明的原理。
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池加湿器的截面图。
图2是根据本发明第二实施例的燃料电池加湿器的截面图。
图3是示意性地示出根据本发明第三实施例的燃料电池加湿器的第一盖和旁通管的图。
图4是示意性地示出根据本发明的实施例的旁通管的图。
具体实施方式
本文使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另有明确说明，单数形式“一种”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括”和诸如“包括”或“包含”的变体将被理解为暗示包括所述元件但不排除任何其他元件。另外，说明书中描述的术语“单元”，“…件”，“…器”和“模块”表示用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件部件或软件部件及其组合来实现。
在下文中，将参考附图详细说明本发明的实施例。
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池加湿器的截面图。
本发明的燃料电池加湿器100是用于利用从燃料电池堆(未示出)排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气，并且将加湿的空气供应到燃料电池堆的装置。
如图1所示，本发明的加湿器100包括具有第一终端110a和第二终端110b的加湿模块110，具有用于将加湿的空气供应到燃料电池堆的空气排出口(OP1)且连接到第一终端110a的第一盖120，和具有用于接收从外部供应的空气的空气进入口(IP1)并连接到第二终端110b的第二盖130。
第一盖120的空气排出口(OP1)和第二盖130的空气进入口(IP1)分别与加湿模块110间隔开。
加湿模块110包括壳体111和设置在壳体111中的多个中空纤维膜112。壳体111具有用于接收来自燃料电池堆的废气的废气进入口(IP2)和用于排放废气的废气排出口(OP2)。
如图1所示，根据本发明的实施例的壳体111包括第一壳体111a和第二壳体111b，第一壳体111a包括中空纤维膜112，第二壳体111b包围第一壳体111a并且具有废气进入口(IP2)和废气排出口(OP2)，并且第一壳体111a具有对应于废气进入口(IP2)的第一组开口(H1)和对应于废气排出口(OP2)的第二组开口(H2)。
中空纤维膜112的两个终端分别罐装到(potted to)分别形成在第一壳体111a的两个终端中的第一固定层113，并且第一壳体111a的两个终端分别通过第二固定层114固定到第二壳体111b的两个终端。
或者，本发明的壳体111可以是包括中空纤维膜112的单个壳体。在这种情况下，中空纤维膜112的两个终端可以分别在外壳的两个终端分别罐装到形成的固定层中。
根据本发明的另一实施例，中空纤维膜112可包括两个或多个中空纤维膜束，并且壳体111可包括分别包括两个或多个中空纤维膜束的两个或多个第一壳体111a和围绕第一壳体111a并且具有废气进入口(IP2)和废气排出口(OP2)的第二壳体111b，并且每个第一壳体111a可以具有对应于废气进入口(IP2)的第一组开口(H1)和对应于废气排出口(OP2)的第二组开口(H2)。
根据本发明，第一盖120的内部空间和第二盖130的内部空间仅通过中空纤维膜112的内腔(lumens)彼此流体连通。第一盖120的内部空间由第一盖120的内表面和加湿模块110的第一终端110a限定，并且第二盖130的内部空间由第二盖130的内表面和加湿模块110的第二终端110b限定。
通过废气进入口(IP2)流入壳体111的废气在壳体111的内部空间中流动的同时接触中空纤维膜112，然后通过废气排出口(OP2)排放到壳体111的外部。
从外部通过空气进入口(IP1)流入第二盖130的内部空间的空气通过中空纤维膜112的内腔流入第一盖120的内部空间，然后通过空气排出口(OP1)被供应到的燃料电池堆。
当空气沿着中空纤维膜112的内腔流动时，流动通过壳体111的内部空间的废气中所含的水分通过中空纤维膜112以被传递到空气中，使得空气被加湿，并且加湿的空气流入第一盖120的内部空间，然后通过空气排出口(OP1)供应到燃料电池堆。
如上所述，应该防止由中空纤维膜112的内腔中或第一盖120的内部空间中的加湿空气冷凝产生的冷凝水流入燃料电池堆中。为此目的，如图1所示，本发明的燃料电池加湿器100还包括旁通管140。
本发明的旁通管140可以将在第一盖120的内部空间中产生的冷凝水或者从中空纤维膜112流入第一盖120的内部空间的冷凝水传递到废气流动通过的壳体111的内部空间。
根据本发明，旁通管140的第一端位于空气排出口(OP1)中，并且旁通管140通过旁通管140的第二端与壳体111的内部空间(即，废气流动通过的空间)流体连通。例如，旁通管140的第二端可以定位在壳体111的内部空间中(即，废气流动通过的空间)。流入空气排出口(OP1)的冷凝水可以通过气压差沿着旁通管140流入壳体111的内部空间，从而防止冷凝水被传递到燃料电池堆。
要使在第一盖120的内部空间中产生的冷凝水或者从中空纤维膜112流入第一盖120的内部空间的冷凝水移动到燃料电池堆，冷凝水必须通过第一盖120的空气排出口(OP1)，这样，旁通管140的第一端可以位于空气排出口(OP1)中，从而显着地防止由加湿的空气冷凝产生的冷凝水流入燃料电池堆。
虽然旁路管140的位置在本发明中没有特别限制，但是如图1所示，它可以设置在第一盖120的内部空间和壳体111的内部空间中，使得旁通管140不暴露于外部。当旁通管140不暴露于外部时，即使在寒冷的环境中也可以防止冷凝水在旁通管140中冻结。因此，可以防止冷凝水流入燃料电池堆而不会由于旁通管140中的冷凝水的冻结而绕行。
如图1所示，肋121可以设置在空气排出口(OP1)中，以防止冷凝水通过空气排出口(OP1)传递到燃料电池堆。肋121防止流入空气排出口(OP1)的冷凝水进一步流向燃料电池堆。那些流动的已被肋121阻挡的冷凝水被收集在肋121下方。因此，如图1所示，旁通管140的第一端可以位于与肋121相邻的位置。也就是说，旁通管140的第一端可以位于第一盖120的主体，空气排出口的边界(OP1)和肋121之间。
如上所述，通过从低电流模式切换到高电流模式，当突然以高压供应的外部空气以流入空气排出口(OP1)时，在中空纤维膜112中滞留的冷凝水与高压空气一起从中空纤维膜112排放。然而，由于肋121不会阻挡空气排出口(OP1)的整个通道，因此可能不会说没有从中空纤维膜112排放流入空气排出口(OP1)的冷凝水的一部分可能不被肋121阻挡并传递到燃料电池堆的风险。
为了使这种风险最小化，如图2所示，根据本发明另一实施例的第一盖120'的空气排出口(OP1')可具有不与中空纤维膜112的纵向方向平行的纵向方向。例如，可以形成空气排出口(OP1')使得加湿的空气可以以预定角度向上流动，从而通过肋121'阻挡在中空纤维膜112的纵向方向上排放的大部分冷凝水。
然而，为了阻挡冷凝水的流动，不仅肋121、121'需要具有一定尺寸或更大，而且还具有垂直于加湿的空气流动的表面，使得因为对加湿空气的流动施加过大的阻力，所以存在降低燃料电池的发电效率的风险。
为了抵消这种风险，如图3所示，根据本发明的又一实施例的第一盖120”可包括形成在空气排出口(OP1”)的内表面上的螺纹122。螺纹122为流入空气排出口(OP1”)的冷凝水提供螺旋形路径。
螺纹122可以代替图1的肋121。即，本发明的螺纹122也可以形成在空气排出口(OP1)的内表面上，在与中空纤维膜112的长度方向平行的方向上延伸。但是，如图3所示，当空气排出口(OP1”)倾斜使得加湿的空气可以以预定角度向上流动时，进一步有利的是，流入空气排出口(OP1”)的基本上所有冷凝水可以由螺纹122引导。
为了将流入空气排出口(OP1”)的通过螺旋路径到达螺纹122的终端部分的冷凝水传递到壳体111的内部空间，旁通管140”的第一端可以位于与螺纹122的终端部分相邻的位置。也就是说，旁通管140”的第一端设置成接收通过螺旋路径移动到螺纹122的终端部分的所有冷凝水。
根据图3所示的本发明的实施例，不仅可以防止因为对加湿的空气的流动施加过大的阻力的燃料电池的发电效率降低，而且还可以传输由于加湿的空气的冷凝而产生的所有冷凝水，也就是说，在第一盖120”的内部空间中产生的冷凝水，还有在中空纤维膜112的内腔中产生的流入第一盖120”的内部空间的冷凝水被传输到壳体111的内部空间。(即，废气流过的空间)，从而完全或基本上完全防止冷凝水流入运行中的燃料电池堆。
图1至图3中所示的本发明的旁通管140、140'、140”可以分别是单个整体管。
或者，如图4所示，本发明的旁通管140、140'、140”可包括固定到第一盖120、120'、120”的第一管141和固定到加湿模块110的第二管142，第一管141和第二管142可以可拆卸地连接。也就是说，当第一盖120、120'和120”连接到加湿模块110时，第一管141也可以连接到第二管142，从而提高加湿器100的制造过程的便利性和生产率。

Claims (10)

1.一种燃料电池加湿器，用于利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气并将加湿的空气供应到所述燃料电池堆，包括：
加湿模块，包括壳体和布置在所述壳体中的多个中空纤维膜；
第一盖，具有空气排出口，用于将加湿的空气供应到所述燃料电池堆，所述第一盖连接到所述加湿模块的第一终端，并且所述空气排出口与所述加湿模块间隔开；和
旁通管，用于将由加湿的空气产生的冷凝水传递到废气流动通过的所述壳体的内部空间，
其中，所述旁通管的第一端位于空气排出口中，
其中，所述旁通管通过位于所述壳体的内部空间的所述旁通管的第二端与所述壳体的内部空间流体连通，
其中，所述空气排出口中设置有肋，以防止冷凝水通过所述空气排出口传递到所述燃料电池堆，
其中，在所述空气排出口的内表面上形成用于为流入所述空气排出口的冷凝水提供螺旋路径的螺纹，
其中，所述空气排出口倾斜使得加湿的空气以预定角度向上流动，从而通过所述肋阻挡在中空纤维膜的纵向方向上排放的大部分冷凝水，进而由螺纹引导流入所述空气排出口的冷凝水，并且
其中，所述旁通管的第一端位于与所述螺纹的终端部分相邻的位置，以便将流入空气排出口通过所述螺旋路径到达所述螺纹的终端部分的冷凝水传递到所述壳体的内部空间。
2.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，还包括：
第二盖，具有用于接收从外部供应的空气的空气进入口，并且在所述第一终端的相反侧连接到所述加湿模块的第二终端。
3.根据权利要求2所述的燃料电池加湿器，
其中，由所述第一盖的内表面和所述加湿模块的所述第一终端限定的所述第一盖的内部空间，与由所述第二盖的内表面和所述加湿模块的所述第二终端限定的所述第二盖的内部空间仅通过中空纤维膜的内腔彼此流体连通。
4.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，
其中，所述壳体具有用于接收来自燃料电池堆的废气的废气进入口和用于排放废气的废气排出口。
5.根据权利要求4所述的燃料电池加湿器，其中所述壳体包括：
第一壳体，包括中空纤维膜；和
第二壳体，围绕第一壳体并包括所述废气进入口和所述废气排出口，并且
其中，所述第一壳体具有对应于所述废气进入口的第一组开口和对应于所述废气排出口的第二组开口。
6.根据权利要求4所述的燃料电池加湿器，
其中所述中空纤维膜包括两个或多个中空纤维膜束，
其中所述壳体包括：
两个或多个第一壳体，分别包括两个或多个中空纤维膜束；和
第二壳体，围绕第一壳体并具有所述废气进入口和所述废气排出口，并且
其中，每个第一壳体具有对应于所述废气进入口的第一组开口和对应于所述废气排出口的第二组开口。
7.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，
其中，冷凝水在所述第一盖的内部空间中产生或者从所述中空纤维膜流入第一盖的内部空间，然后通过所述旁通管传递到所述壳体的内部空间。
8.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，
其中，所述空气排出口的纵向方向和所述中空纤维膜的纵向方向彼此不平行。
9.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，其中所述旁通管包括：
第一管，固定到所述第一盖；和
第二管，固定到所述加湿模块，并且
其中，所述第一管和所述第二管可拆卸地连接。
10.根据权利要求1所述的燃料电池加湿器，
其中，所述旁通管不暴露在外部。
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