用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备和方法。更具体地，本发明涉及一种用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备和方法，该方法和设备能够通过调节组成膜加湿器的中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，来相对于供应至燃料电池组的空气控制膜加湿器的加湿量。

背景技术：

通常，需要使燃料电池中的电解质膜加湿来操作燃料电池系统，为此，使用以这样的方式操作的加湿设备，其中，从燃料电池排出的湿气与具有从外部气体供应的干气进行湿度交换。

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，等等，并且，作为用于燃料电池的加湿设备，适当地使用应用中空纤维膜的膜加湿器。具体地，将在下面描述相关技术中的用于燃料电池的膜加湿器的结构和操作。附图1示出了根据相关技术的燃料电池系统的空气供应系统，图2示出了包含在相关技术的空气供应系统中的膜加湿器结构。

燃料电池系统包括：燃料供应系统，其配置为对燃料电池组供应燃料(例如氢气)；空气供应系统，其配置为对燃料电池组供应氧气，氧气是电化学反应所需的氧化剂且包含在空气中；热和水管理系统，其配置为调 节燃料电池组的运行温度；以及燃料电池组(在下文中叫做组)，其配置为使用氢气和空气来产生电能。

因此，当从燃料供应系统向燃料电池组的燃料电极供应氢气，且同时从空气供应系统向燃料电池组的空气电极供应氧气时，在燃料电极处执行氢气的氧化反应，使得产生氢离子(质子)和电子，并且，使产生的氢离子和电子分别经由电解质膜和分隔板移动至空气电极，通过包含在空气中的氧气、已从燃料电极移动的氢离子和电子的电化学反应在空气电极处产生水，同时，从电子流产生电能。

如图1所示，空气供应系统包括膜加湿器100和将加湿的空气(例如氧气)供应至燃料电池组200的空气压缩机202。因此，将外部干空气通过空气压缩机202的吸入操作供应至膜加湿器100的中空纤维膜中，同时，在反应之后从燃料电池组200排出的废气(例如湿空气)通过膜加湿器100，在此情况中，包含在废气中的湿气渗透到中空纤维膜中，以使干空气加湿。

参考附图2，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和排出口103，供应口形成于壳体101的一端且干空气从空气压缩机流入该供应口中，排出口形成于壳体101的另一端且加湿的空气从该排出口中排出。

一束中空纤维膜(多个中空纤维膜106聚集在其中)容纳于壳体101中，通过用典型的封装件(potting member)108封装(例如固定)，来容纳这束中空纤维膜的两端。在壳体101的一个周缘部分中形成入口104，从燃料电池组排出的湿空气流入该入口，并在另一周缘部分中形成出口105，将已经去除湿气的湿空气从该出口排出。

因此，当已经在完成反应之后从壳体101的入口104向中空纤维膜106供应从燃料电池组排出的废气(即湿空气)时，湿气通过相应中空纤维膜106中的毛细管作用与湿空气分离，分离的湿气在通过中空纤维膜106中 的毛细管的同时冷凝，然后进入中空纤维膜106。此外，使已将湿气分离的湿空气沿着中空纤维膜106的外部移动，然后通过壳体101的出口105排出。

同时，通过空气压缩机的操作，通过壳体101的供应口102供应外部气体(例如干空气)，使通过供应口102供应的干空气通过中空纤维膜106，在此情况中，由于与湿空气分离的湿气已经进入中空纤维膜106，所以湿气会使干空气加湿，并将加湿的干空气通过排出口103供应至燃料电池组的空气电极。

同时，下面将参考附图3更详细地描述膜加湿器的加湿原理。当将在完成反应之后已从燃料电池组排出的湿空气供应至中空纤维膜106的外边缘且同时从空气压缩机供应的干空气(例如外部气体)在中空纤维膜106内流动时，包含在湿空气中的水会使中空纤维膜106中的干空气在通过中空纤维膜106的同时加湿，并且原理是，通过使用中空纤维膜106的内部和外部(在图3中用①和②表示)之间的流体(湿气)的分压力差作为原动力来转移湿气，来实现湿空气中的湿气通过中空纤维膜106。

正在研究各种优化通过用于燃料电池的膜加湿器的中空纤维膜来转移湿气的性能的方法。在此部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，因此，其可能包含并不形成本国中本领域的普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明已致力于解决上述与相关技术相关联的问题，以使通过膜加湿器的中空纤维膜转移湿气的性能最大化。特别地，本发明提供一种用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备和方法，其能够通过基于燃料电池组中的聚合物电解质膜的湿度来调节中空纤维膜的内部和外部之间 的湿气的分压力差，从而相对于供应至燃料电池组的空气最佳地调节膜加湿器的加湿量。

在一个方面中，本发明提供一种用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备，该设备可包括：空气压缩机，其配置为压缩空气并将空气供应至膜加湿器；以及膜加湿器，其配置为使从空气压缩机供应的空气加湿并将该空气供应至燃料电池组，在燃料电池组中，可在膜加湿器的出口处安装压力控制阀，以调节从燃料电池组流向膜加湿器的中空纤维膜的外部的湿空气的压力，并且，可在燃料电池组的入口处安装第一空气切断阀，以调节从空气压缩机流向膜加湿器的中空纤维膜的内部的空气的压力。

在一个示例性实施方式中，可进一步在湿空气排出管道中安装第二空气切断阀，排出管道从燃料电池组的出口连接至膜加湿器的入口。该设备可进一步包括湿度传感器，该湿度传感器配置为测量燃料电池组的湿度，以判断压力控制阀和空气切断阀的打开程度。

在另一方面中，本发明提供一种控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的方法，该方法可包括：测量燃料电池组的湿度；当所测量的湿度等于或大于参考值时，通过减小或阻塞从燃料电池组供应至膜加湿器的湿空气的量，来增加膜加湿器的中空纤维膜中的压力；并且，当所测量的湿度小于参考值时，通过阻塞膜加湿器的出口(将湿空气通过该出口从燃料电池组供应至膜加湿器，同时可排出湿空气)，来增加膜加湿器的中空纤维膜的内部和外部的压力。

另外，增加中空纤维膜中的压力的步骤可包括，减小安装在燃料电池组的入口处的第一空气切断阀的打开程度或关闭第一空气切断阀，或者，减小安装在湿空气排出管道(其连接燃料电池组的出口和膜加湿器的入口)中的第二空气切断阀的打开程度或关闭第二空气切断阀。当增加膜加湿器的中空纤维膜内部的压力时，可减小中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，从而减小在中空纤维膜内流动的干空气的加湿量。

此外，增加中空纤维膜的内部和外部的压力的步骤可包括，当将湿空气从燃料电池组供应至膜加湿器时，减小安装在膜加湿器的出口处的压力控制阀的打开程度或关闭压力控制阀。当增加膜加湿器的中空纤维膜的内部和外部的压力时，可增加中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，从而增加在中空纤维膜内流动的干空气的加湿量。

在上述技术解决方案中，本发明提供以下效果。

首先，当燃料电池组中的聚合物电解质膜的湿度小于参考值，使得聚合物电解质膜干燥时，可能通过增加中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，来相对于供应至燃料电池组的空气增加膜加湿器的加湿量。

第二，当燃料电池组中的聚合物电解质膜的湿度等于或大于参考值，使得聚合物电解质膜湿润时，可能通过减小中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，来相对于供应至燃料电池组的空气减小膜加湿器的加湿量。

如上所述，可能通过基于燃料电池组中的聚合物电解质膜的加湿程度调节中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，而相对于供应至燃料电池组的空气更优化地调节膜加湿器的加湿量。

附图说明

现在将参考附图所示的示例性实施方式详细地描述本发明的以上特征和其他特征，这些附图在下面仅通过图示的方式给出，从而并不用于限制本发明，在附图中：

图1是示出了根据相关技术的燃料电池系统的空气供应系统的图示；

图2是示出了相关技术中的用于燃料电池的膜加湿器的结构的横截面图；

图3是示出了根据相关技术的膜加湿器的中空纤维膜加湿原理的视图；

图4是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备的图示；

图5至图7是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备的操作流的图示；

图8是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的方法的流程图。

图中示出的参考标号包括下面进一步讨论的以下元件的参考标号：

100：膜加湿器

101：壳体

102：供应口

103：排出口

104：入口

105：出口

106：中空纤维膜

108：封装件

110：第一空气切断阀

120：第二空气切断阀

130：压力控制阀

140：湿空气排出管道

200：燃料电池组

202：空气压缩机

应理解，附图并非必须是成比例的，提供说明本发明的基本原理的各种特征的稍微简化的表现。如本文公开的本发明的具体设计特征(包括，例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由特殊目的的应用和使用环境来确定。在图中，参考数字在附图的几张图中指的是本发明的相同或等价的部件。

具体实施方式

应理解，术语“车辆”或“车辆的”或如本文使用的其他类似术语一般包含机动车辆，例如乘用车(包括运动型多用途车(SUV))、公共汽车、卡车、各种商用车、船舶(包括各种小船和轮船)、飞机，等等，并包括混合驱动汽车、电动汽车、插电式混合电动汽车、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，应用来自除了石油以外资源的燃料的车辆)。如本文所提到的，混合驱动汽车是具有两种或多种动力源的车辆，例如同时具有汽油动力和电动力的车辆。

虽然将示例性实施方式描述为使用多个单元来执行代表性过程，但是应理解，该代表性过程也可由一个或多个模块来执行。另外，应理解，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置为储存模块，处理器特别配置为处理所述模块以执行一个或多个在下面进一步描述的过程。

本文使用的术语仅是为了描述特殊实施例，而不是旨在限制本发明。如本文使用对，单数形式“一个(“a”、“an”)”和“该(“the”)”的目的是也包括复数形式，除非上下文清楚地表示不是这样。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，规定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或增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。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何组合和所有组合。

除非特别声明或从上下文中显而易见的，如本文使用的，将术语“大约”理解为在本领域中是在正常公差的范围内，例如在两倍的平均标准差内。可将“大约”理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文中是显而易见的其他方式，否则本文提供的所有数值都用术语“大约”修饰。

在下文中，现在将详细地参考本发明的各种示例性实施方式，其实例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施方式描述本发明，但是将理解，本发明的目的不是将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明的目的是不仅覆盖示例性实施方式，而且覆盖由所附权利要求书限定的本发明的实质和范围内的各种替代方式、改进、等价内容和其他实施例。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的一个示例性实施方式。附图4是示出了根据本发明的一个示例性实施方式的用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备的结构图。如图4所示，用于燃料电池的空气供应系统可包括膜加湿器100和空气压缩机202，该空气压缩机配置为将加湿的空气(例如氧气)供应至燃料电池组200。

具体地，可通过空气压缩机202的吸入操作，将外部干空气供应至膜加湿器100的中空纤维膜中，同时，在反应之后从燃料电池组200排出的 废气(例如湿空气)可通过膜加湿器100，包含在废气中的湿气可渗入中空纤维膜，以使干空气加湿。

可将压力控制阀130安装在膜加湿器100的入口105处，并且，可用控制器操作压力控制阀130。特别地，膜加湿器100的出口105是这样的出口，在使中空纤维膜中的干空气加湿之后，可将湿空气通过该出口排出，并且，可将压力控制阀130安装在出口处。压力控制阀130可配置为调节膜加湿器100中的湿空气的压力，即，从燃料电池组流向膜加湿器100的中空纤维膜的外部的湿空气的压力。

因此，当关闭压力控制阀130时，可将湿空气通过出口105排出，结果，膜加湿器100中的湿空气的压力可增加。此外，当打开压力控制阀130时，膜加湿器100中的湿空气的压力可减小。另外，可将第一空气切断阀110安装在燃料电池组200的入口处，并可将第二空气切断阀120安装在湿空气排出管道140中，该湿空气排出管道从燃料电池组200的出口连接至膜加湿器100的入口104。

第一空气切断阀110和第二空气切断阀120可由控制器操作，并配置为调节从空气压缩机202流入膜加湿器100的中空纤维膜的空气的压力。因此，当关闭第一空气切断阀110时，可阻挡从膜加湿器100的中空纤维膜的内部流向燃料电池组200的空气(例如加湿的空气)，导致在中空纤维膜内流动的干空气的压力增加。

当关闭第二空气切断阀110时，不会将在反应之后从燃料电池组200排出的空气(例如湿空气)供应至膜加湿器100，结果，也可使通过膜加湿器100的中空纤维膜的内部供应至燃料电池组200的气流(例如加湿的干空气的气流)延时，导致在中空纤维膜内流动的空气的压力增加。

同时，可将配置为测量燃料电池组中的电解质膜的湿度的湿度传感器(未示出)安装在燃料电池组200中，并且，可基于由湿度传感器测量的 湿度的值来决定压力控制阀130以及第一空气切断阀110和第二空气切断阀120的打开程度。具体地，将在下面描述一种控制用于基于上述配置的燃料电池的膜加湿器的加湿量的方法。

附图5至附图7是示出了根据本发明的用于控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的设备的操作流的结构图，图8是示出了根据本发明的控制用于燃料电池的膜加湿器的加湿量的方法的流程图。

首先，可用湿度传感器测量燃料电池组的湿度(步骤S101)。具体地，测量燃料电池组的湿度的步骤可包括，测量聚合物电解质膜(是燃料电池组的元件)的潮湿状态。当所测湿度等于或大于参考值时，可将燃料电池组中的聚合物电解质膜确定为是湿润的(步骤S102)，结果，可暂时减小安装在燃料电池组200的入口处的第一空气切断阀110的打开程度，或者，可关闭第一空气切断阀110(步骤S103)。

具体地，当暂时减小第一空气切断阀110的打开程度或者关闭第一空气切断阀110时，可减小从空气压缩机202经由膜加湿器100供应至燃料电池组200的空气的量，或者可阻止空气供应。当关闭第一空气切断阀110时，可在燃料电池组的入口处阻止从空气压缩机202经由膜加湿器100的中空纤维膜的内部供应至燃料电池组200的空气，如附图5中的粗实线所示，结果，可增加在膜加湿器100的中空纤维膜内流动的空气的压力。

如上所述，当减小第一空气切断阀110的打开程度或者关闭第一空气切断阀110，且由此仅膜加湿器的中空纤维膜中的压力(例如，图3中用①表示的中空纤维膜中的干空气的压力)可增加时，中空纤维膜106的内部和外部之间的湿气的分压力差可减小，导致供应至中空纤维膜106的外部的湿空气无法平稳地渗入中空纤维膜106，结果，可相对于中空纤维膜中的干空气减小膜加湿器的加湿量。

当如上所述地相对于中空纤维膜中的干空气减小膜加湿器的加湿量时，可将湿度减小的干空气从膜加湿器供应至燃料电池组，结果，燃料电池组的湿度(例如，聚合物电解质膜的潮湿状态)可减小。可选地，当如上所述测量的湿度等于或大于参考值时，可将燃料电池组中的聚合物电解质膜确定为是湿润的(步骤S102)，结果，在安装在燃料电池组200的入口处的第一空气切断阀110保持打开时，可暂时减小安装在燃料电池组200的出口处的第二空气切断阀120的打开程度，或者可关闭第二空气切断阀(步骤S103)。

换句话说，可暂时减小安装在湿空气排出管道140(其连接燃料电池组200的出口和膜加湿器100的入口)中的第二空气切断阀120的打开程度，或者可关闭第二空气切断阀120。即，使第二空气切断阀120的打开程度减小或者关闭第二空气切断阀120，也可阻止将在反应之后从燃料电池组200排出的空气(例如湿空气)供应至膜加湿器100，如附图6中的粗实线所示，结果，也可使通过膜加湿器100的中空纤维膜的内部供应至燃料电池组200的气流(例如加湿的干空气的气流)延时，从而导致在中空纤维膜内流动的空气的压力增加。

类似地，当减小第二空气切断阀120的打开程度或者关闭第二空气切断阀120，从而膜加湿器的中空纤维膜中的压力(例如，图3中用①表示的中空纤维膜中的干空气的压力)增加时，中空纤维膜106的内部和外部之间的湿气的分压力差可减小，使得供应至中空纤维膜106的外部的湿空气无法平稳地渗入中空纤维膜106，结果，可相对于中空纤维膜中的干空气减小膜加湿器的加湿量。

当如上所述地相对于中空纤维膜中的干空气减小膜加湿器的加湿量时，可将湿度减小的干空气从膜加湿器供应至燃料电池组，结果，燃料电池组的湿度(例如，聚合物电解质膜的潮湿状态)可减小。同时，当如上所述测量的湿度小于参考值时，可将燃料电池组中的聚合物电解质膜确定为是干燥的(步骤S104)，结果，当第一空气切断阀110和第二空气切断 阀120保持打开时，可暂时减小膜加湿器的打开程度，或者可关闭膜加湿器(步骤S105)。

换句话说，当所测量的湿度小于参考值时，在打开第一空气切断阀110和第二空气切断阀120时，可将湿空气从燃料电池组200供应至膜加湿器100，同时，可暂时减小安装在膜加湿器100的出口105处的压力控制阀130的打开程度，或者可关闭压力控制阀130。因此，由于阻塞膜加湿器100的出口105(湿空气通过该出口排出)，所以可增加中空纤维膜外部的压力，以及膜加湿器100的中空纤维膜中的压力。

当减小压力控制阀130的打开程度或者关闭压力控制阀130时，可将在反应之后从燃料电池组200排出的空气(例如湿空气)更平稳地供应至膜加湿器100的中空纤维膜的外部，然后，在完成加湿之后可能不会排出至出口105，如在附图7中用粗实线所指示的，结果，中空纤维膜外部的压力可增加。

如上所述，当减小压力控制阀130的打开程度或者关闭压力控制阀130，从而膜加湿器的中空纤维膜外部的压力(例如，图3中用②表示的中空纤维膜外部的湿空气的压力)增加时，中空纤维膜106的内部和外部之间的湿气的分压力差可增加，从而，供应至中空纤维膜106的外部的湿空气可更平稳地渗入中空纤维膜106，结果，相对于中空纤维膜中的干空气可增加膜加湿器的加湿量。

当如上所述地相对于中空纤维膜中的干空气增加膜加湿器的加湿量时，可将湿度增加的干空气从膜加湿器供应至燃料电池组，结果，燃料电池组的湿度(例如，聚合物电解质膜的潮湿状态)可增加。如上所述，可能通过基于燃料电池组中的聚合物电解质膜的湿度调节中空纤维膜的内部和外部之间的湿气的分压力差，来最佳地调节膜加湿器相对于供应至燃料电池组的空气的加湿量。

已经参考其示例性实施方式详细描述了本发明。然而，本领域的技术人员将理解，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可在这些示例性实施方式中进行改变，本发明的范围由所附权利要求书及其等价物限定。