用于燃料电池的加湿器以及包含该加湿器的燃料电池系统的制作方法
【专利说明】用于燃料电池的加湿器以及包含该加湿器的燃料电池系统
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年8月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0099207号优先权及其权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及燃料电池车的燃料电池系统。具体而言，提供用于使供应至燃料电池的反应气体湿润的加湿器。
【背景技术】
[0004]—般来说，燃料电池系统是通过燃料电池中氢与氧或空气中氧的电化学反应产生电能的发电系统。例如，燃料电池系统已经用在燃料电池车中以运行电动机并驱动车辆。燃料电池系统包括电池组，其中单元燃料电池包括产生电力的阴极和阳极、向燃料电池的阴极供应空气的空气供给装置、以及向燃料电池的阳极供应氢的氢供给装置。
[0005]同时，在聚合物燃料电池中，需要相当量的水分以使膜-电极组件(MEA)中的离子交换膜起作用，因此，燃料电池系统的空气供给装置包括用于使供应至燃料电池的空气湿润的加湿器。加湿器将升高温度的空气中的水分或从燃料电池的阴极排出的水分供应至经由空气供给装置的空气压缩机而供应的干燥空气中，并且然后向燃料电池的阴极供应湿润的空气。
[0006]加湿器的实例可以包括各种类型，例如起泡器型、注入型、板型、吸收剂型、膜型等。不过，由于燃料电池车具有包装空间上的限制，具有减小体积的膜型加湿器已经用在燃料电池车中。具体而言，膜型加湿器可以提供包装上的优势，而且膜型加湿器不需要特定电源。
[0007]在下文中称为“膜加湿器”的膜型加湿器可以使用用于通过从气体到气体交换水分而进行加湿的膜，例如在从燃料电池的阴极排出的升温气体和湿气与通过空气压缩机供应的干燥空气之间交换水分。
[0008]将通过膜加湿器产生的湿润空气供应至燃料电池的阴极，并将膜加湿器中已去除水分的排气供应到空气中。例如，膜加湿器包括膜模块以及在该膜模块的两侧形成的壳式歧管，在该膜模块中，中空纤维膜基本布置在具有圆柱形的壳体中。
[0009]同时，根据现有技术，已提供加湿器的结构，并且通过空气压缩机供应的干燥空气的一部分可以喷到排气的排放路径中以稀释排气中的氢，其中，通过排气将水分从加湿器中去除至空气中。由于氢包含在进入到燃料电池车的空气中的排气中，该排气中的氢需要根据对于排放气体的环境和安全规程如上所述进行稀释。
[0010]因此，在现有技术中，已经提供了从空气供给管线分支并与加湿器的排气的排放管线连接的旁通管线，其中旁通管线将空气压缩机和加湿器进行连接，以及已经提供了用于选择性地打开或关闭旁通管线的通道的开关阀。不过，由于形成了将空气供给管线与排气的排放管线彼此连接的另外的旁通管线，可能需要用于安装旁通管线的空间，因此，可能无法获得有效的封装。
[0011]尽管膜加湿器可以占用比其他类型加湿器更少的体积，气体与气体水分进行交换的方案可能仍然需要作为车辆一部分的相当体积。具体地，如上所述额外使用的旁通管线可能不是尚效的。
[0012]此外，根据现有技术，随着膜加湿器的运行，可能在膜加湿器中产生冷凝水。由于这类冷凝水在寒冷天气条件下凝结，加湿器中的空气通道可能减少，从而随着压力上升导致空气压缩机负担的增加，并且该空气压缩机的功率消耗可能增加，从而使燃料电池车的燃料效率变差。
[0013]此外，当加湿器中的冷凝水在寒冷天气条件下凝结时，由于冷凝水的体积通过形成冰而增加，加湿器的膜模块会损坏，并且加湿器的加湿性能会变差。
[0014]在该背景部分公开的上述信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此可能包含不形成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0015]本发明提供用于燃料电池的加湿器以及燃料电池系统。通过在该加湿器中施加旁通管线，加湿器可以减少燃料电池系统的包装并可以提供在很大程度上改善的加湿性能。
[0016]在本发明的示例性实施方式中，用于燃料电池的加湿器可以使用膜使从燃料电池的阴极而来的排气以及通过空气压缩机供应的干燥空气湿润。加湿器还可以配置成向阴极供应湿润的空气。加湿器可以包括:膜模块，其具有布置在膜模块内的多捆中空纤维膜；歧管，各个歧管可以与膜模块的两侧连接，并且可以配置成将排气和干燥空气注入到该膜模块的内部，并将已除去水分的排气以及湿润的空气从膜模块内部排出；以及至少一个旁通管线，其插入在歧管的各个内部中并与膜模块的内部连接，并且选择性与从空气压缩机供应的干燥空气的供给路径连接。
[0017]旁通管线可以设置有布置在该歧管外部的阀。膜模块可以包括可以支持中空纤维膜两端的支承构件。旁通管线可以固定到该支承构件。旁通管线可以插入到任何一个将已除去水分的排气排出的歧管中并延伸到其他歧管的内部。旁通管线可以暴露于歧管之间的膜模块的外部。旁通管线可以布置在膜模块和歧管的内部的可以积聚冷凝水的部分中。旁通管线可以插入到至少一个将已除去水分的排气排出的歧管的下部中并与该歧管的内部连接。
[0018]旁通管线可以布置在至少一个将已除去水分的排气排出的歧管的上部并与该歧管的内部连接。旁通管线可以包括与至少一个将已除去水分的排气排出的歧管的内部连接的连接孔。旁通管线可以设置有配置成防止干燥空气回流的单向阀。该单向阀可以由鸭嘴阀形成。
[0019]在另一个示例性实施方式中，燃料电池系统可以包括:电池组，其具有多个配置成产生电能的单元燃料电池；空气压缩机，其配置成向燃料电池的阴极供应空气；加湿器，其与空气压缩机连接并配置成使用膜使来自阴极的排气以及经由空气压缩机供应的干燥空气湿润；以及氢罐，其配置成向燃料电池的阳极供应氢。具体而言，至少一个旁通管线可以选择性地与空气压缩机与加湿器之间的空气供给路径连接并且可以布置在加湿器中。
[0020]加湿器可以包括:膜模块，其具有布置在膜模块内的多捆中空纤维膜；以及歧管，各个歧管可以与膜模块的两侧连接，配置成将排气和干燥空气注入到膜模块的内部，并将已除去水分的排气以及湿润的空气从膜模块的内部排出。旁通管线可以插入在歧管的内部中并与膜模块的内部连接，并且选择性地与从空气压缩机供应的干燥空气的供给路径连接。旁通管线可以设置有可以布置在歧管外部的开关阀。旁通管线可以设置有鸭嘴型单向阀。
[0021]根据本发明的多个示例性实施方式，由于配置成将空气供应到加湿器中的旁通管线可以布置在加湿器中以稀释加湿器排气中的氢，加湿器中的通道可以用作旁通管线空间。因此，可能不需要安装用于干燥空气的旁通管线的管道或软管的额外空间，从而减少燃料电池系统的包装。
[0022]此外，根据本发明的多个示例性实施方式，由于旁通管线可以布置在膜模块和膜歧管中的积聚冷凝水的部分中，加湿器中的冷凝水或所积聚的水可以随着通过旁通管线供应的干燥空气而排出到外部，以防止由寒冷天气条件下冰块造成的加湿器中压力的升高。
[0023]因此，空气压缩机的由于加湿器中压力升高造成的负担可以降低，并作为结果，空气压缩机的功率消耗可以降低并且燃料电池车的燃料效率可以提高。此外，由于加湿器中的水可以通过旁通管线经加湿器中的空气流而用于使膜湿润，加湿器的效率可以得到进一步提尚。
【附图说明】
[0024]在描述本发明的示例性实施方式时参照附图，但是本发明的技术范围不应被解读为局限于这些附图。
[0025]图1简要示出根据本发明的示例性实施方式的示例性燃料电池系统；
[0026]图2简要示出根据本发明的示例性实施方式的用于示例性燃料电池的示例性加湿器；
[0027]图3示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的示例性加湿器的横截面配置图；
[0028]图4简要示出根据本发明的示例性实施方式的示例性旁通管线的示例性单向阀，其可以用于示例性燃料电池的示例性加湿器；以及
[0029]图5到图7简要示出根据本发明的多个示例性实施方式的示例性旁通管线的更改例，其可以用于示例性燃料电池的示例性加湿器。
[0030]在图1?7中列出的附图标记包括对将在以下进一步论述的以下元件的提及:
[0031]10...电池组
[0032]30...空气压缩机
[0033]31...空气供给管线
[0034]50...氢罐
[0035]70...开关阀
[0036]110...膜模块
[0037]111...中空纤维膜
[0038]113...壳体
[0039]115...支承构件
[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