CN116802861A - 能够调节旁通流量的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够调节旁通流量的燃料电池系统，其能够根据从鼓风机流出的干燥气体的温度自动调节旁通流量。根据本发明的一个实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统包括：鼓风机，用于通过供应流路供应干燥气体；干燥气体入口，用于将从鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到膜加湿器；旁通流路，用于通过绕过膜加湿器将从鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到燃料电池堆；以及旁通流量调节部，形成在旁通流路中并且用于根据从鼓风机流入的干燥气体的温度来调节旁通流路的打开程度。

Description

能够调节旁通流量的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及一种能够调节旁通流量的燃料电池系统，其能够根据从鼓风机流入内部的干燥气体的温度来自动调节旁通流量。

背景技术

燃料电池是通过氢与氧结合而产生电力的发电电池。燃料电池的优点是，与诸如干电池或蓄电池的普通化学电池不同，只要供应氢和氧就能够连续发电，并且由于没有热损失而具有内燃机的约两倍以上的效率。

此外，由于通过氢与氧之间的结合产生的化学能直接转化为电能，减少了污染物的排放。因此，燃料电池的优点是：环保并且能够减少关于由于能源消耗增加而导致资源枯竭的担忧。

根据所使用的电解质类型，这些燃料电池大致分为例如聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和碱性燃料电池(AFC)。

这些燃料电池根本上根据相同原理工作，但在所使用的燃料类型、工作温度、催化剂、电解质等方面存在差异。在这些电池中，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已知是最有前途的，不仅适用于小型固定发电设备，而且适用于运输系统，因为聚合物电解质膜燃料电池在比其它燃料电池低的温度下工作，并且由于高输出密度而可以小型化。

改善聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)性能的最重要因素之一是通过向膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜(或质子交换膜：PEM)供应一定量或更多的水分来保持水分含量。这是因为当聚合物电解质膜干燥时发电效率迅速降低。

用于加湿聚合物电解质膜的方法的示例包括：1)用水填充耐压容器然后使目标气体穿过扩散器(diffuser)以供应水分的起泡(bubbler)加湿方式；2)用于计算燃料电池反应所需的水分供应量并通过电磁阀向气体流动管直接供应水分的直接注入方式；以及3)使用聚合物分离膜向流化气体层供应水分的加湿膜方式。

在这些方式中，通过使用仅选择性地透过包含在废气中的水蒸气的膜向供应至聚合物电解质膜的空气提供水蒸气来加湿聚合物电解质膜的膜加湿方式的优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。

膜加湿方式中使用的选择性渗透膜优选是在形成模块时每单位体积具有大的渗透面积的中空纤维膜。也就是说，当使用中空纤维膜制造加湿器时，具有以下优点：接触表面积大的中空纤维膜的高度集成是可能的，因此即使是小容量也可以充分加湿燃料电池，可以使用低成本材料，并且可以通过加湿器回收并再利用从燃料电池以高温排出的废气中所包含的水分和热量。

图1是示出根据现有技术的燃料电池系统的图。

如图1所示，现有技术的燃料电池系统包括：鼓风机B；膜加湿器10；燃料电池堆S；连接鼓风机B、膜加湿器10、燃料电池堆S的流路P1至P3；以及调节阀15。P1表示将鼓风机B连接到膜加湿器10的供应流路，P2表示绕过膜加湿器10并将鼓风机B连接到燃料电池堆S的旁通流路，P3表示将膜加湿器10连接到燃料电池堆S的电池堆流路。这里，“连接”不仅包括“直接连接”，还包括“在另一部分插设在其间的状态下的间接连接”。

膜加湿器10包括：加湿模块11，在加湿模块11中在从鼓风机B供应的干燥气体与从燃料电池堆S排出的加湿空气(废气)之间发生水分交换；以及盖12(12a和12b)，盖12结合到加湿模块11的两端。

在盖12之中的一个盖12a中形成干燥气体入口13，以将从鼓风机B供应的干燥气体供应到加湿模块11，并且在另一盖12b中形成干燥气体出口14，以将由加湿模块11加湿的空气供应到燃料电池堆S。

加湿模块11包括具有废气入口11aa和废气出口11ab的中间壳体11a以及位于中间壳体11a内的多个中空纤维膜11b。中空纤维膜11b的束的两端固定到灌封部11c。灌封部11c通常通过铸造(casting)方式使诸如液体聚氨酯树脂的液体聚合物固化来形成。

从鼓风机B供应的干燥气体沿着中空纤维膜11b的中空部流动。通过废气入口11aa流入中间壳体11a中的废气与中空纤维膜11b的外表面接触，然后通过废气出口11ab从中间壳体11a排出。当废气与中空纤维膜11b的外表面接触时，废气中包含的水分透过中空纤维膜11b中，以加湿沿着中空纤维膜11b的中空部流动的干燥气体。

盖12的内部空间仅与中空纤维膜11b的中空部进行流体连通，并且应当与中间壳体11a的内部空间被完全阻隔。否则，由于压力差而发生空气泄漏，供应到燃料电池堆的加湿空气的量减少，并且燃料电池的发电效率降低。

另一方面，根据燃料电池堆S的输出大小，从鼓风机B通过供应流路P1供应的干燥气体的一部分通过干燥气体入口13供应到膜加湿器10，并且剩余的干燥气体绕过膜加湿器10流过旁通流路P2并且与电池堆流路P3合流。在膜加湿器10中被加湿的空气和通过旁通流路P2未被加湿的空气在电池堆流路P3中混合，并且供应到燃料电池堆S。

通过旁通流路P2绕过的旁通流量由安装在旁通流路P2上的调节阀15控制。调节阀15的打开和关闭程度可以根据燃料电池堆S的输出大小来调节。

由于这种调节阀15应该包括通过枢转打开或关闭的阀板以及根据用户的操作或来自控制器的信号调节阀板的打开和关闭角度的调节工具，并且还单独包括检测燃料电池堆S的输出大小的检测传感器以调节调节阀15的打开和关闭，因此缺点在于成本增加并且由于部件数量增加而导致燃料电池系统变得复杂。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于提供一种能够调节旁通流量的燃料电池系统，其能够根据从鼓风机流入内部的干燥气体的温度来自动调节旁通流量。

技术方案

根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统包括：鼓风机，所述鼓风机被配置为通过供应流路供应干燥气体；干燥气体入口，所述干燥气体入口被配置为将从鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到膜加湿器；旁通流路，所述旁通流路被配置为通过绕过膜加湿器将从鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到燃料电池堆；以及旁通流量调节部，所述旁通流量调节部形成在旁通流路中并且被配置为根据从鼓风机流入内部的干燥气体的温度来调节旁通流路的打开程度。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，旁通流量调节部可以包括热膨胀材料，该热膨胀材料在第一温度范围内收缩并且在比所述第一温度范围大的第二温度范围内膨胀。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，旁通流量调节部可以以环形形成在旁通流路的内壁上。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，旁通流量调节部可以以环形插入形成在旁通流路的内壁上的环形固定槽中。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，供应流路和旁通流路可以沿同一方向形成。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，膜加湿器可以包括中间壳体、紧固到中间壳体的盖以及设置在中间壳体内部以容纳多个中空纤维膜的加湿模块。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，加湿模块可以包括至少一个盒，该至少一个盒包括被配置为容纳多个中空纤维膜的内壳体和形成在内壳体的端部处的灌封部。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，干燥气体入口可以形成为连接到将鼓风机连接到膜加湿器的供应流路，以及旁通流路。

在根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统中，干燥气体入口可以垂直于供应流路。

根据本发明的各个方面的实施例的其他具体事项包括在下面的详细描述中。

有益效果

通过根据本发明的实施例的燃料电池系统，可以在没有诸如传感器或阀的额外部件的情况下，根据燃料电池堆的输出情况自动调节旁通流路的打开程度。因此，可以由于部件数量的减少而降低制造成本并且进一步简化燃料电池系统。

附图说明

图1是示出根据现有技术的燃料电池系统的图。

图2是示出根据本发明的实施例的燃料电池系统的图。

图3是根据本发明的实施例的燃料电池系统的旁通流量调节部的放大图。

图4是示出图3的旁通流量调节部在低输出环境下的工作状态的图。

图5是示出图3的旁通流量调节部在高输出环境下的工作状态的图。

具体实施方式

由于可以对本发明做出各种变化，这可以有数个实施例，因此本文将例示并详细描述具体实施例。然而，应当理解，这并不旨在将本发明限制于具体实施例，并且包括本发明的精神和范围内包含的所有改变、等同物或替代。

本文所使用的术语仅用于描述具体实施例，而不旨在限制本发明。单数表述“一”、“一个”和“所述”包括复数表述，除非上下文另有明确指示。应当理解，本文中的术语“包括”或“具有”指定本文所描述的特征、数量、步骤、操作、部件、部分或其组合的存在，但不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、部件、部分或其组合的存在或添加。下文中，将参照附图描述根据本发明的实施例的燃料电池系统。

图2是示出根据本发明的实施例的能够调节旁通流量的燃料电池系统(下文中称为“燃料电池系统”)的图。

如图2所示，根据本发明的实施例的燃料电池系统包括鼓风机B、膜加湿器100、燃料电池堆S、连接鼓风机B、膜加湿器100、燃料电池堆S的流路P1至P3以及旁通流量调节部150(参见图3)。

鼓风机B收集大气中的空气并且将空气供应至膜加湿器100。鼓风机B的输出大小可以根据燃料电池堆S的输出大小来确定。可选地，去除细尘的过滤器(未示出)可以安装在鼓风机B的前方，并且冷却供应到膜加湿器100的干燥气体的冷却器(未示出)可以安装在鼓风机B与膜加湿器100之间。

膜加湿器100对干燥气体进行加湿并将干燥气体供应至燃料电池堆S。膜加湿器100包括加湿模块110，该加湿模块110利用从燃料电池堆S排出的废气中的水分对从鼓风机B供应的干燥气体进行加湿。加湿模块110的两端结合到盖120(120a和120b)。加湿模块110和盖120可以单独地形成或者可以一体地形成。

在盖120之中的一个盖120a中形成干燥气体入口130，以将从鼓风机B供应的干燥气体供应到加湿模块110，并且在另一个盖120b中形成干燥气体出口140，以将由加湿模块110加湿的空气供应至燃料电池堆S。

干燥气体入口130可以连接到将鼓风机B连接至膜加湿器10的供应流路P1和将鼓风机B连接至燃料电池堆S的旁通流路P2。干燥气体出口140可以连接到将膜加湿器10与燃料电池堆S连接的电池堆流路P3。

加湿模块110是在从鼓风机B供应的干燥气体与废气之间进行水分交换的装置，并且加湿模块110包括具有废气入口111a和废气出口111b的中间壳体111，以及中间壳体111中的多个中空纤维膜112。中空纤维膜112的束的两端固定到灌封部113。

或者，加湿模块110可以包括至少一个盒，该至少一个盒包括多个中空纤维膜112和将多个中空纤维膜112彼此固定的灌封部113。在这种情况下，中空纤维膜112和灌封部113可以形成在单独的盒壳体(内壳体)中。在这种情况下，中空纤维膜112可以容纳在内壳体中，并且灌封部113可以形成在内壳体的端部处。当加湿模块110包括盒时，可以在盒的两端与中间壳体111之间形成用于固定盒的树脂层，或者还可以包括通过机械组件气密地结合的垫圈组件。

中间壳体111和盖120可以由硬塑料或金属独立地形成，并且可以在宽度方向上具有圆形或多边形横截面。“圆形”包括椭圆形，“多边形”包括具有圆角的多边形。硬塑料的示例可以包括聚碳酸酯、聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)和聚丙烯(PP)。

中空纤维膜112可以包括由聚砜树脂、聚醚砜树脂、磺化聚砜树脂、聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂、聚丙烯腈(PAN)树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酯亚胺树脂或其中两种以上的混合物形成的聚合物膜，并且灌封部113可以通过利用诸如深灌封或离心灌封的铸造方式固化诸如液体聚氨酯树脂的液体树脂来形成。

从鼓风机B供应的干燥气体沿着中空纤维膜112的中空部流动。通过废气入口111a流入中间壳体111中的废气与中空纤维膜112的外表面进行接触，然后通过废气出口111b从中间壳体111排出。当废气接触中空纤维膜112的外表面时，废气中包含的水分透过中空纤维膜112，以加湿沿着中空纤维膜112的中空部流动的干燥空气。

同时，从鼓风机B流入干燥气体入口130的干燥气体的流量可以通过旁通流量调节部150来调节，该旁通流量调节部150根据从鼓风机流入内部的干燥气体的温度来调节旁通流路P2的打开程度。旁通流量调节部150的打开和关闭的程度可以根据燃料电池堆S的输出大小自动确定，而无需单独的附加部件。因此，可以减少整个系统的部件的数量，可以减小系统的尺寸，并且可以降低制造成本。将参照图3详细描述旁通流量调节部150。

图3是示出根据本发明的实施例的燃料电池系统的旁通流量调节部150的视图，并且是图2中的部分“A”的放大图。

如图3所示，旁通流量调节部150可以形成在旁通流路P2中，以根据从鼓风机B流入内部的干燥气体的温度来调节旁通流路P2的打开程度。

旁通流路P2是绕过膜加湿器100并将鼓风机B连接到燃料电池堆S的流路。干燥气体入口130可以是形成为连接到鼓风机B的盖120a的一部分或者可以是将鼓风机B连接到盖120a的单独流路。将鼓风机B连接到膜加湿器10的供应流路P1可以相对于干燥气体入口130以预定角度(例如直角)形成。

旁通流量调节部150可以形成在旁通流路P2的内壁上。旁通流量调节部150可以在旁通流路P2的内壁上形成为环形。或者，可以在旁通流路P2的内壁上形成环形固定槽151，并且旁通流量调节部150可以形成为环形并且插入并固定到环形固定槽151。

旁通流量调节部150可以由根据干燥气体的温度热膨胀的材料制成。旁通流量调节部150可以包括热膨胀材料，该热膨胀材料在第一温度范围内收缩并且在大于第一温度范围的第二温度范围内膨胀。也就是说，旁通流量调节部150可以包括在低温下收缩并在高温下膨胀的热膨胀材料。

供应流路P1和旁通流路P2优选沿相同方向形成。当供应流路P1和旁通流路P2沿相同方向形成时，旁通流量调节部150面向干燥气体流动的方向，因此能够有效地执行取决于温度的收缩或膨胀。

通过供应流路P1供应的干燥气体被分配到干燥气体入口130和旁通流路P2。在这种情况下，通过干燥气体入口130供应到膜加湿器100的干燥气体的量根据流过旁通流路P2的干燥气体的量来确定。此外，流向旁通流路P2的流量由旁通流量调节部150决定。这将参照图4和图5进行描述。

图4是示出旁通流量调节部150在低输出环境下的工作状态的图。当燃料电池堆S的输出通常低于40kW时，可以将其称为低输出环境。在低输出环境中，从鼓风机B供应相对低温的干燥气体。这里，低温可以是低于约50℃的第一温度范围。

由于干燥气体处于低温下，因此旁通流量调节部150相对地收缩，使得旁通流路P2的开口直径变成L1。因此，与高输出环境相比，相对大量的干燥气体流过旁通流路P2，并且相对少量的低温干燥气体被供应到膜加湿器100。

图5是示出旁通流量调节部150在高输出环境下的工作状态的图。当燃料电池堆S的输出通常等于或高于40kW时，这可以称为高输出环境。在高输出环境中，从鼓风机B供应相对高温的干燥气体。这里，高温可以在约50℃至150℃的范围内，并且可以是大于第一温度范围的第二温度范围。

由于干燥气体处于高温，因此旁通流量调节部150膨胀并且旁通流路P2的开口直径变成比L1小的L2。因此，与低输出环境相比，相对少量的干燥气体流过旁通流路P2，并且相对大量的高温干燥气体被供应到膜加湿器100。

在如上所述的根据本发明的实施例的燃料电池系统中，旁通流量调节部150可以根据燃料电池堆S的输出状况自动调节旁通流路P2的打开程度而无需诸如传感器或阀的额外部件，并且由于部件数量减少，可以降低制造成本并进一步简化燃料电池系统。

尽管上面已经描述了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员可以在不背离权利要求中描述的本公开的精神的范围内，通过部件的添加、修改、删除来对本发明进行各种修改和改变，并且这些也将包括在本发明的范围内。

【附图标记的说明】

100：燃料电池系统 110：加湿模块

120：盖 130：干燥气体入口

140：干燥气体出口 150：旁通流量调节部

B：鼓风机 S：燃料电池堆

P1：供应流路 P2：旁通流路

P3：电池堆流路

Claims (9)

1.一种能够调节旁通流量的燃料电池系统，包括：

鼓风机，所述鼓风机被配置为通过供应流路供应干燥气体；

干燥气体入口，所述干燥气体入口被配置为将从所述鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到膜加湿器；

旁通流路，所述旁通流路被配置为通过绕过所述膜加湿器将从所述鼓风机供应的干燥气体的至少一部分供应到燃料电池堆；以及

旁通流量调节部，所述旁通流量调节部形成在所述旁通流路中并且被配置为根据从所述鼓风机流入的干燥气体的温度来调节所述旁通流路的打开程度。

2.根据权利要求1所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述旁通流量调节部包括热膨胀材料，所述热膨胀材料在第一温度范围内收缩并且在比所述第一温度范围大的第二温度范围内膨胀。

3.根据权利要求1所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述旁通流量调节部以环形形成在所述旁通流路的内壁上。

4.根据权利要求1所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述旁通流量调节部以环形插入形成在所述旁通流路的内壁上的环形固定槽中。

5.根据权利要求1所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述供应流路和所述旁通流路沿同一方向形成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述膜加湿器包括中间壳体、紧固到所述中间壳体的盖以及设置在所述中间壳体内以容纳多个中空纤维膜的加湿模块。

7.根据权利要求6所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述加湿模块包括至少一个盒，所述至少一个盒包括被配置为容纳所述多个中空纤维膜的内壳体和形成在所述内壳体的端部处的灌封部。

8.根据权利要求6所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述干燥气体入口形成为连接至将所述鼓风机连接到所述膜加湿器的所述供应流路并且连接至所述旁通流路。

9.根据权利要求8所述的能够调节旁通流量的燃料电池系统，其中，所述干燥气体入口垂直于所述供应流路。