用于燃料電池的加濕器以及包含該加濕器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于燃料電池的加濕器以及包含該加濕器的燃料電池系統(tǒng)
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年8月1日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請第10-2014-0099207號優(yōu)先權(quán)及其權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及燃料電池車的燃料電池系統(tǒng)。具體而言，提供用于使供應(yīng)至燃料電池的反應(yīng)氣體濕潤的加濕器。
【背景技術(shù)】
[0004]—般來說，燃料電池系統(tǒng)是通過燃料電池中氫與氧或空氣中氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的發(fā)電系統(tǒng)。例如，燃料電池系統(tǒng)已經(jīng)用在燃料電池車中以運(yùn)行電動機(jī)并驅(qū)動車輛。燃料電池系統(tǒng)包括電池組，其中單元燃料電池包括產(chǎn)生電力的陰極和陽極、向燃料電池的陰極供應(yīng)空氣的空氣供給裝置、以及向燃料電池的陽極供應(yīng)氫的氫供給裝置。
[0005]同時，在聚合物燃料電池中，需要相當(dāng)量的水分以使膜-電極組件(MEA)中的離子交換膜起作用，因此，燃料電池系統(tǒng)的空氣供給裝置包括用于使供應(yīng)至燃料電池的空氣濕潤的加濕器。加濕器將升高溫度的空氣中的水分或從燃料電池的陰極排出的水分供應(yīng)至經(jīng)由空氣供給裝置的空氣壓縮機(jī)而供應(yīng)的干燥空氣中，并且然后向燃料電池的陰極供應(yīng)濕潤的空氣。
[0006]加濕器的實(shí)例可以包括各種類型，例如起泡器型、注入型、板型、吸收劑型、膜型等。不過，由于燃料電池車具有包裝空間上的限制，具有減小體積的膜型加濕器已經(jīng)用在燃料電池車中。具體而言，膜型加濕器可以提供包裝上的優(yōu)勢，而且膜型加濕器不需要特定電源。
[0007]在下文中稱為“膜加濕器”的膜型加濕器可以使用用于通過從氣體到氣體交換水分而進(jìn)行加濕的膜，例如在從燃料電池的陰極排出的升溫氣體和濕氣與通過空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣之間交換水分。
[0008]將通過膜加濕器產(chǎn)生的濕潤空氣供應(yīng)至燃料電池的陰極，并將膜加濕器中已去除水分的排氣供應(yīng)到空氣中。例如，膜加濕器包括膜模塊以及在該膜模塊的兩側(cè)形成的殼式歧管，在該膜模塊中，中空纖維膜基本布置在具有圓柱形的殼體中。
[0009]同時，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，已提供加濕器的結(jié)構(gòu)，并且通過空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣的一部分可以噴到排氣的排放路徑中以稀釋排氣中的氫，其中，通過排氣將水分從加濕器中去除至空氣中。由于氫包含在進(jìn)入到燃料電池車的空氣中的排氣中，該排氣中的氫需要根據(jù)對于排放氣體的環(huán)境和安全規(guī)程如上所述進(jìn)行稀釋。
[0010]因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)提供了從空氣供給管線分支并與加濕器的排氣的排放管線連接的旁通管線，其中旁通管線將空氣壓縮機(jī)和加濕器進(jìn)行連接，以及已經(jīng)提供了用于選擇性地打開或關(guān)閉旁通管線的通道的開關(guān)閥。不過，由于形成了將空氣供給管線與排氣的排放管線彼此連接的另外的旁通管線，可能需要用于安裝旁通管線的空間，因此，可能無法獲得有效的封裝。
[0011]盡管膜加濕器可以占用比其他類型加濕器更少的體積，氣體與氣體水分進(jìn)行交換的方案可能仍然需要作為車輛一部分的相當(dāng)體積。具體地，如上所述額外使用的旁通管線可能不是尚效的。
[0012]此外，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，隨著膜加濕器的運(yùn)行，可能在膜加濕器中產(chǎn)生冷凝水。由于這類冷凝水在寒冷天氣條件下凝結(jié)，加濕器中的空氣通道可能減少，從而隨著壓力上升導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)負(fù)擔(dān)的增加，并且該空氣壓縮機(jī)的功率消耗可能增加，從而使燃料電池車的燃料效率變差。
[0013]此外，當(dāng)加濕器中的冷凝水在寒冷天氣條件下凝結(jié)時，由于冷凝水的體積通過形成冰而增加，加濕器的膜模塊會損壞，并且加濕器的加濕性能會變差。
[0014]在該背景部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本發(fā)明背景的理解，因此可能包含不形成該國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明提供用于燃料電池的加濕器以及燃料電池系統(tǒng)。通過在該加濕器中施加旁通管線，加濕器可以減少燃料電池系統(tǒng)的包裝并可以提供在很大程度上改善的加濕性能。
[0016]在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，用于燃料電池的加濕器可以使用膜使從燃料電池的陰極而來的排氣以及通過空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣濕潤。加濕器還可以配置成向陰極供應(yīng)濕潤的空氣。加濕器可以包括:膜模塊，其具有布置在膜模塊內(nèi)的多捆中空纖維膜；歧管，各個歧管可以與膜模塊的兩側(cè)連接，并且可以配置成將排氣和干燥空氣注入到該膜模塊的內(nèi)部，并將已除去水分的排氣以及濕潤的空氣從膜模塊內(nèi)部排出；以及至少一個旁通管線，其插入在歧管的各個內(nèi)部中并與膜模塊的內(nèi)部連接，并且選擇性與從空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣的供給路徑連接。
[0017]旁通管線可以設(shè)置有布置在該歧管外部的閥。膜模塊可以包括可以支持中空纖維膜兩端的支承構(gòu)件。旁通管線可以固定到該支承構(gòu)件。旁通管線可以插入到任何一個將已除去水分的排氣排出的歧管中并延伸到其他歧管的內(nèi)部。旁通管線可以暴露于歧管之間的膜模塊的外部。旁通管線可以布置在膜模塊和歧管的內(nèi)部的可以積聚冷凝水的部分中。旁通管線可以插入到至少一個將已除去水分的排氣排出的歧管的下部中并與該歧管的內(nèi)部連接。
[0018]旁通管線可以布置在至少一個將已除去水分的排氣排出的歧管的上部并與該歧管的內(nèi)部連接。旁通管線可以包括與至少一個將已除去水分的排氣排出的歧管的內(nèi)部連接的連接孔。旁通管線可以設(shè)置有配置成防止干燥空氣回流的單向閥。該單向閥可以由鴨嘴閥形成。
[0019]在另一個示例性實(shí)施方式中，燃料電池系統(tǒng)可以包括:電池組，其具有多個配置成產(chǎn)生電能的單元燃料電池；空氣壓縮機(jī)，其配置成向燃料電池的陰極供應(yīng)空氣；加濕器，其與空氣壓縮機(jī)連接并配置成使用膜使來自陰極的排氣以及經(jīng)由空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣濕潤；以及氫罐，其配置成向燃料電池的陽極供應(yīng)氫。具體而言，至少一個旁通管線可以選擇性地與空氣壓縮機(jī)與加濕器之間的空氣供給路徑連接并且可以布置在加濕器中。
[0020]加濕器可以包括:膜模塊，其具有布置在膜模塊內(nèi)的多捆中空纖維膜；以及歧管，各個歧管可以與膜模塊的兩側(cè)連接，配置成將排氣和干燥空氣注入到膜模塊的內(nèi)部，并將已除去水分的排氣以及濕潤的空氣從膜模塊的內(nèi)部排出。旁通管線可以插入在歧管的內(nèi)部中并與膜模塊的內(nèi)部連接，并且選擇性地與從空氣壓縮機(jī)供應(yīng)的干燥空氣的供給路徑連接。旁通管線可以設(shè)置有可以布置在歧管外部的開關(guān)閥。旁通管線可以設(shè)置有鴨嘴型單向閥。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實(shí)施方式，由于配置成將空氣供應(yīng)到加濕器中的旁通管線可以布置在加濕器中以稀釋加濕器排氣中的氫，加濕器中的通道可以用作旁通管線空間。因此，可能不需要安裝用于干燥空氣的旁通管線的管道或軟管的額外空間，從而減少燃料電池系統(tǒng)的包裝。
[0022]此外，根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實(shí)施方式，由于旁通管線可以布置在膜模塊和膜歧管中的積聚冷凝水的部分中，加濕器中的冷凝水或所積聚的水可以隨著通過旁通管線供應(yīng)的干燥空氣而排出到外部，以防止由寒冷天氣條件下冰塊造成的加濕器中壓力的升高。
[0023]因此，空氣壓縮機(jī)的由于加濕器中壓力升高造成的負(fù)擔(dān)可以降低，并作為結(jié)果，空氣壓縮機(jī)的功率消耗可以降低并且燃料電池車的燃料效率可以提高。此外，由于加濕器中的水可以通過旁通管線經(jīng)加濕器中的空氣流而用于使膜濕潤，加濕器的效率可以得到進(jìn)一步提尚。
【附圖說明】
[0024]在描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式時參照附圖，但是本發(fā)明的技術(shù)范圍不應(yīng)被解讀為局限于這些附圖。
[0025]圖1簡要示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的示例性燃料電池系統(tǒng)；
[0026]圖2簡要示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于示例性燃料電池的示例性加濕器；
[0027]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的用于燃料電池的示例性加濕器的橫截面配置圖；
[0028]圖4簡要示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的示例性旁通管線的示例性單向閥，其可以用于示例性燃料電池的示例性加濕器；以及
[0029]圖5到圖7簡要示出根據(jù)本發(fā)明的多個示例性實(shí)施方式的示例性旁通管線的更改例，其可以用于示例性燃料電池的示例性加濕器。
[0030]在圖1?7中列出的附圖標(biāo)記包括對將在以下進(jìn)一步論述的以下元件的提及:
[0031]10...電池組
[0032]30...空氣壓縮機(jī)
[0033]31...空氣供給管線
[0034]50...氫罐
[0035]70...開關(guān)閥
[0036]110...膜模塊
[0037]111...中空纖維膜
[0038]113...殼體
[0039]115...支承構(gòu)件
[0040]120...第一歧管
[0041]121...第一入口
[0042]123...第一出口
[0043]130...第二歧管
[0044]131...第二入口
[0045]133