用于燃料电池的加湿系统技术方案

本发明专利技术提供一种具有不同种类的膜的加湿系统，其中置于空心纤维膜模块中的空心纤维膜束的中心布置有具有高加湿性能、并能够随水膨胀的材料，在其外部设置有不随水膨胀的材料。因此，使用本发明专利技术的加湿系统，可以提供与现有加湿系统水平相同的加湿性能，低成本地制造加湿系统，并解决各种问题，例如燃料电池组的液泛现象和鼓风机负荷的增加。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及 一 种用于燃料电池的加湿系统(humidification system)。更具体地，本专利技术涉及一种具有不同种类的膜的加湿系统， 其中设置在空心纤维膜模块(module)中的空心纤维膜束的中心布置 有具有高加湿性能、并能够随水膨胀(swollen with water)的材料，在 其外部布置有不随水膨胀的材料。
技术介绍
为了燃料电池的操作，有必要对燃料电池中的电解质膜进行加湿， 因此使用了加湿系统，其中，从燃料电池排出的废气(即湿气)的水 分被添加到从外部提供的干燥空气中。燃料电池可能要求占用极小的安装用空间的紧凑的加湿系统，并 且要求功耗很低。为满足这些要求而设计的加湿系统包括各种技术， 例如超声加湿、蒸汽加湿和蒸发加湿等；然而，使用空心纤维膜的加 湿技术适用用于燃料电池。图1是说明燃料电池系统的空气供应系统的示意图。如图1所示，燃料电池系统的空气供应系统包括膜加湿器 (humidifier) 100，通过鼓风机(blower) 202从外部向上述膜加湿器 提供干燥空气，并且从燃料电池组200排出的废气通过上述膜加湿器 而通过。因此，在含有水分的废气经过空心纤维膜的同时，从外部供 应的干燥空气得以加湿。图2是示出空心纤维膜加湿器的示意性构造的截面图。如图2所示，加湿器100包括外壳101，该外壳具有用于引入干燥 空气的第一入口 102和用于排出干燥空气的第一出口 103。而且，外壳 101中设置有空心纤维膜模块107，并且空心纤维膜模块107中放置有 多个空心纤维膜106。以下对具有上述构造的空心纤维膜加湿器100的运行加以说明。 当通过外壳101的第二入口 104将从燃料电池组排出的废气(即 湿空气)供应至空心纤维膜模块107的内部时，湿空气中的水分被各 个空心纤维膜106的毛细管作用分离出来，分离出的水分在经过空心 纤维膜106的毛细管的同时得以凝聚(condense),并在空心纤维膜106 的内部移动。接下来，将水分被分离出的空气传送至空心纤维膜106的外部， 并通过外壳101的第二出口 105排出。同时，通过鼓风机的工作，通过外壳101的第一入口 102供应外 部空气(干燥空气)，并使其沿着空心纤维膜106的内部移动。此时， 由于从湿空气中分离出的水分已经传送至空心纤维膜106的内部，干 燥空气被该水分加湿，由此加湿的空气通过第一出口 103排放至燃料 电池组。然而，如图2所示，由于空心纤维膜模块107具有多个空心纤维 膜106密集填充的结构，对于通过第二入口 104引入的湿空气来说， 渗入到空心纤维膜模块107的内部非常困难。而且，由于湿空气的缓慢非常扩散，这种困难变得更为严重。由于这些原因，在容纳于外壳101中的空心纤维膜模块107中， 经过空心纤维膜模块107外部的湿空气不会渗入到空心纤维膜模块 107的中心内(如图2中的点划线方框所示)，而是主要沿着空心纤维 膜模块107的边缘流动(如图2中的箭头所示)。因此，湿空气向空心 纤维膜模块107的内部渗入的速率非常慢，因此降低了加湿效率。因此，不能向位于空心纤维膜模块107中心附近的空心纤维膜106 供应充足的水分，因此可以降低加湿系统的整体效率。而且，在常规加湿器100的情况下，由于通过第一入口 102引入 的干燥空气主要通过空心纤维膜模块107的中心(如图2中的点划线 方框所示的部分)流动，可以大大降低整体的加湿效率。图3的模拟试验结果中说明了这样的问题。从图3可以清楚地看到，大部分干燥空气仅仅流经空心纤维膜模 块107的中心。换句话说，由于通过第一入口 102引入的干燥空气主要流经空心 纤维膜模块107的中心(如图2中的点划线方框所示的部分)，而且通 过第二入口 104引入的湿空气沿着空心纤维膜模块107的边缘流动， 可以降低整体的加湿效率。当干燥空气的量增加时，即当燃料电池组提供高的输出电压时， 这一问题变得更为严重。常规加湿系统的另一问题是空心纤维膜及其布置造成的。尽管膜加湿器具有可应用于车辆使用的优点，有效的空心纤维膜 材料非常昂贵，因此其在制造成本方面尤其不利。在膜加湿器的情况下，Nafion膜被广泛用作应用于燃料电池组、 更具体地说应用于膜电极组件(MEA)的空心纤维膜材料，因而在降 低成本方面是不利的。在大多数情况下，在燃料电池系统的低电流区内要求充分的加湿， 在高功率和高电流区内产生大量水分，以至于阴极不需要加湿。然而， 目前已知的大多数加湿系统是在不区分低电流区和高电流区内的加湿 量的情况下工作的。特别是，在仅仅使用Nafion作为空心纤维膜用的 材料的情况下，即使在高电流区也提供大于80。/。RH (简写RH代表？ 相对湿度)的高湿度。由于在燃料电池系统的高电流区内产生大量的水分并提供高的湿 度，可以发生阴极材料迁移的阻力增加和泛溢(flooding)现象，这导 致阴极的空气匮乏。因此，燃料电池催化剂的劣化加速，从而使燃料 电池的耐久性降低。而且，如图4所示，在置于加湿系统的空心纤维膜模块107中的 整束空心纤维膜106均由NAFION形成的情况下，空心纤维膜束由于 其特性通过吸收水分而膨胀，空心纤维膜本身不是在其纵向上伸展， 而是因膨胀被弯曲成锯齿(zigzag)形，从而增加了加湿系统中的压降。 因此，施加于用于向加湿系统供应空气的空气鼓风机的负荷增加。类似地，在仅仅使用Nafion作为空心纤维膜材料的情况下，需要6克服大量的问题。在此
技术介绍
部分中公开的上述信息仅用于增强对本专利技术背景技 术的理解，因此其可以包含不形成本国家的本领域普通技术人员已知 的现有技术的信息。
技术实现思路
一方面，本专利技术涉及具有不同种类的膜的加湿系统，其中置于空 心纤维膜模块中的空心纤维膜束的中心布置有具有高加湿性能、并能 够随水膨胀的材料，在其外部布置有不随水膨胀的材料。因此，本发 明的这样优选的系统可以提供与现有加湿系统水平相同的加湿性能， 以相对较低的成本制造，并解决例如燃料电池组泛溢和空气鼓风机负 荷增加等各种问题。在一个实施方式中，本专利技术提供了一种用于燃料电池的加湿系统， 该加湿系统包括空心纤维膜模块；和置于其中的空心纤维膜束，其中空心纤维膜束的中心布置有容易随水膨胀的多个空心纤维膜，通过 鼓风机从外部供应的干燥空气主要通过该容易随水膨胀的多个空心纤 维膜流动，空心纤维膜束的外部布置有不随水膨胀的多个空心纤维膜， 从燃料电池组排出的湿空气主要通过该不随水膨胀的多个空心纤维膜流动。在优选的实施方式中，由聚合物材料例如Nafion形成的适当具有 高加湿性能的多个空心纤维膜优选地布置在空心纤维膜束的中心，由 选自聚醚酰亚胺和聚苯基砜者适当形成、优选与由Nafion材料形成的 空心纤维膜相比加湿性能相对较低的多个空心纤维膜设置在空心纤维 膜束的外部。在另一个优选的实施方式中，设置在空心纤维膜束外部的空心纤 维膜的填充密度(packing density)高于布置在空心纤维膜束中心的空 心纤维膜的填充密度。在再另一个优选的实施方式中，设置在空心纤维膜束外部的空心 纤维膜的条数大于布置在空心纤维膜束中心的空心纤维膜的条数。本文所用的术语车辆(vehicle)、车用或其它类似术语理解 成包括通常的机动车辆，例如载客本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统包括：　空心纤维膜模块；和　置于其中的空心纤维膜束，　其中所述空心纤维膜束的中心布置有容易随水膨胀的多个空心纤维膜，通过鼓风机从外部供应的干燥空气主要通过所述容易随水膨胀的多个空心纤 维膜流动，所述空心纤维膜束的外部布置有不随水膨胀的多个空心纤维膜，从燃料电池组排出的湿空气主要通过所述不随水膨胀的多个空心纤维膜流动。

【技术特征摘要】
KR 2008-3-6 10-2008-00207871.一种用于燃料电池的加湿系统，所述加湿系统包括空心纤维膜模块；和置于其中的空心纤维膜束，其中所述空心纤维膜束的中心布置有容易随水膨胀的多个空心纤维膜，通过鼓风机从外部供应的干燥空气主要通过所述容易随水膨胀的多个空心纤维膜流动，所述空心纤维膜束的外部布置有不随水膨胀的多个空心纤维膜，从燃料电池组排出的湿空气主要通过所述不随水膨胀的多个空心纤维膜流动。2. 根据权利要求1所述的加湿系统，其中由Nafion材料形成的具有高加湿性能的多个空心纤维膜布置在所述空心纤维膜束的中心，由选自聚醚酰亚胺和聚苯基砜者形成、与所述由Nafion材料形成的空心 纤维膜相比加湿性能相对较低的多个空心纤维膜设置在所述空心纤维 膜束的外部。3. 根据权利要求1或2所述的加湿系统，其中设置在所述空...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤裕，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]