用于燃料电池的膜加湿器及包括其的燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及一种燃料电池膜加湿器及包括该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统，更具体地，涉及一种能够单独通过水分交换进行加湿并通过热交换进行冷却，从而实现燃料电池系统的简化和小型化的燃料电池膜加湿器及包括该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种将氢和氧结合来发电的发电电池。这种燃料电池的优点在于，不同于诸如干电池或蓄电池的普通化学电池，只要供应氢和氧，就可以连续地发电，并且这种燃料电池的优点还在于没有热损失，由此燃料电池的效率是内燃机的效率的约两倍。
3.另外，燃料电池将由氢和氧的结合产生的化学能直接转换成电能，由此，污染物的排出量小。因此，燃料电池的优点在于，燃料电池是环境友好的，并且燃料电池的优点还在于，可以减少由于能源消耗的增加引起的关于资源枯竭的担忧。
4.基于所使用的电解质的种类，这种燃料电池通常可以分为聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell：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)或碱性燃料电池(afc)。
5.这些燃料电池基本上以相同的原理工作，但是在所使用的燃料种类、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。在这些燃料电池中，由于聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料电池更低的温度下工作并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，由此可以使聚合物电解质膜燃料电池小型化，因此聚合物电解质膜燃料电池已知是对运输系统以及小型固定发电设备最有利的。
6.改善聚合物电解质膜燃料电池的性能的最重要因素之一是将规定量或更多的水分供应给膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜或质子交换膜(pem)以保持水分含量。其原因在于，在聚合物电解质膜或质子交换膜干燥的情况下，发电效率急剧降低。
7.作为加湿聚合物电解质膜或质子交换膜的方法，使用1)向耐压容器填充水并使目标气体通过扩散器以供应水分的鼓泡机(bubbler)加湿方法，2)计算燃料电池反应所需的要供给的水分量并通过电磁阀将水分直接供应到气体流管道的直接注入方法，以及3)使用聚合物分离膜将水分供应到气体流化床的膜加湿方法。
8.在这些方法中，膜加湿方法使用被配置为仅选择性地传输废气中包含的水蒸汽的膜向供应给聚合物电解质膜或质子交换膜的气体提供水蒸汽，以加湿聚合物电解质膜或质子交换膜，这种膜加湿方法的优点在于可以减小加湿器的重量和尺寸。
9.在形成有组件的情况下，每单位体积具有大的透过面积的中空纤维膜适合于在膜加湿方法中使用的选择性透过膜。即，在使用中空纤维膜制造膜加湿器的情况下，可以实现具有大的接触表面积的中空纤维膜的高度一体化，由此，即使在小容量的情况下也可以充分地加湿燃料电池，可以使用廉价的材料，并且可以收集在高温下从燃料电池中排出的废气中包含的水分和热量，并且可以通过加湿器重新利用收集的水分和热量。
10.同时，在燃料电池系统中，从压缩机或鼓风机产生的高温干燥空气通过膜加湿器被引入到燃料电池堆。此时，高温干燥空气通过在其中进行热交换的诸如空气冷却器的热交换器，使得空气适合燃料电池堆的工作条件，并通过膜加湿器加湿，并供应给燃料电池堆。
11.迄今为止，热交换器和膜加湿器被串联布置从而进行热交换和加湿(水分控制)，这需要在膜加湿器与鼓风机之间安装额外的空气冷却器。
12.然而，空气冷却器的体积大，因此空气冷却器在封装应用上是不利的，并且通过鼓风机压缩的空气的压力损失增加。另外，还额外需要冷却剂通道，由此设备复杂，这不利于小型化。
13.[相关专利文献]
[0014]
1.韩国专利申请公开第10
‑
2009
‑
0013304号
[0015]
2.韩国专利申请公开第10
‑
2009
‑
0057773号
[0016]
3.韩国专利申请公开第10
‑
2009
‑
0128005号
[0017]
4.韩国专利申请公开第10
‑
2000
‑
0108092号
[0018]
5.韩国专利申请公开第10
‑
2000
‑
0131631号
[0019]
6.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0001022号
[0020]
7.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0006122号
[0021]
8.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0006128号
[0022]
9.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0021217号
[0023]
10.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0026696号
[0024]
11.韩国专利申请公开第10
‑
2001
‑
0063366号


技术实现要素：

[0025]
技术问题
[0026]
本发明的目的是提供一种燃料电池膜加湿器及包括该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统，该燃料电池膜加湿器能够单独通过水分交换进行加湿并通过热交换进行冷却，从而实现燃料电池系统的简化和小型化。
[0027]
技术方案
[0028]
根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器包括：外壳单元，所述外壳单元具有第一空间和第二空间，分隔壁设置在第一空间与第二空间之间；加湿模块，所述加湿模块设置在第一空间中，所述加湿模块包括多个中空纤维膜，通过多个中空纤维膜在第一流体与第二流体之间进行水分交换，第二流体具有比第一流体更高的湿度；热交换模块，所述热交换模块设置在第二空间中，所述热交换模块被配置为冷却被引入到其中的第一流体；以及通道阀，所述通道阀被配置为以可变的分配比将第一流体分配到加湿模块和热交换模块。
[0029]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，外壳单元可以包括：外壳主体，其中限定有第一空间和第二空间；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，外壳盖分别设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口引入，第一流体经由第一流体出口排出，并且设置有第一流体入口的外壳盖可以包括通道阀和盖分隔壁，该盖分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将第一流体引导到加湿模块和热交换
模块。
[0030]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，外壳单元可以包括：外壳主体，其中限定有第一空间和第二空间，所述外壳主体设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口被引入，第一流体经由第一流体出口排出；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，外壳盖分别设置有第二流体入口和第二流体出口，第二流体经由第二流体入口被引入，第二流体经由第二流体出口排出，并且外壳主体可以包括延伸分隔壁，所述延伸分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将第一流体引导到加湿模块和热交换模块。
[0031]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，外壳单元可以包括：外壳主体，其中限定有第一空间和第二空间，所述外壳主体在其一个表面中设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口被引入，第一流体经由第一流体出口排出；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，所述外壳盖分别设置有第二流体入口和第二流体出口，第二流体经由第二流体入口被引入，第二流体经由第二流体出口排出，并且外壳主体可以包括：延伸分隔壁，所述延伸分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将经由第一流体入口引入的第一流体引导到加湿模块和热交换模块；以及交叉分隔壁，所述交叉分隔壁被配置为防止从第一流体入口流到加湿模块和热交换模块的第一流体与从加湿模块和热交换模块流到第一流体出口的第一流体混合。
[0032]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，热交换模块可以是壳管式热交换模块、蜂窝式热交换模块或板式热交换模块。
[0033]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，通道阀可以被配置为根据燃料电池堆的输出状态被进行控制。
[0034]
在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，外壳单元可以包括：冷却剂入口，冷却剂经由冷却剂入口被供应到热交换模块；以及冷却剂出口，在执行冷却之后冷却剂经由冷却剂出口排出，并且冷却剂入口可以连接到旁路通道，所述旁路通道被配置为旁路将被引入到空气压缩单元中的外部空气的至少一部分。
[0035]
根据本发明的实施例的燃料电池系统包括：空气压缩单元，所述空气压缩单元被配置为接收并压缩外部空气以产生第一流体；燃料电池堆，所述燃料电池堆被配置为通过氢和氧之间的反应产生第二流体，所述第二流体具有比第一流体更高的湿度；以及燃料电池膜加湿器，所述燃料电池膜加湿器包括：加湿模块，所述加湿模块被配置为使用第一流体与第二流体之间的水分交换来加湿第一流体；热交换模块，所述热交换模块被配置为冷却第一流体；以及通道阀，所述通道阀被配置为以可变的分配比将第一流体分配到加湿模块和热交换模块。
[0036]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，燃料电池膜加湿器可以包括具有第一空间和第二空间的外壳单元，分隔壁设置在第一空间与第二空间之间，加湿模块可以设置在第一空间中，加湿模块包括多个中空纤维膜，通过多个中空纤维膜在第一流体与第二流体之间进行水分交换，并且热交换模块可以设置在第二空间中，热交换模块被配置为冷却被引入到其中的第一流体。
[0037]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，外壳单元可以包括：外壳主体，在其中限定有第一空间和第二空间；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，并
且所述外壳盖分别设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口被引入，第一流体经由第一流体出口排出，并且设置有第一流体入口的外壳盖可以包括通道阀和盖分隔壁，所述盖分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将第一流体引导到加湿模块和热交换模块。
[0038]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，外壳单元可以包括：外壳主体，在其中限定有第一空间和第二空间，并且所述外壳主体设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口被引入，第一流体经由第一流体出口排出；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，并且外壳盖分别设有第二流体入口和第二流体出口，第二流体经由第二流体入口被引入，第二流体经由第二流体出口排出，并且外壳主体可以包括延伸分隔壁，所述延伸分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将第一流体引导到加湿模块和热交换模块。
[0039]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，外壳单元可以包括：外壳主体，在其中限定有第一空间和第二空间，并且所述外壳主体在一个表面中设置有第一流体入口和第一流体出口，第一流体经由第一流体入口被引入，第一流体经由第一流体出口排出；以及外壳盖，所述外壳盖分别耦接到外壳主体的相对两端，并且所述外壳盖分别设置有第二流体入口和第二流体出口，第二流体经由第二流体入口被引入，第二流体经由第二流体出口排出，并且外壳主体可以包括：延伸分隔壁，所述延伸分隔壁被配置为根据由通道阀设定的分配比将通过第一流体入口引入的第一流体引导到加湿模块和热交换模块；以及交叉分隔壁，所述交叉分隔壁被配置为防止从第一流体入口流到加湿模块和热交换模块的第一流体与从加湿模块和热交换模块流到第一流体出口的第一流体混合。
[0040]
根据本发明的实施例的燃料电池系统可以进一步包括：感测单元，所述感测单元被配置为感测燃料电池堆的输出状态；以及控制器，所述控制器被配置为输出用于基于由感测单元感测到的燃料电池堆的输出状态来控制通道阀的控制信号。
[0041]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，外壳单元可以包括：冷却剂入口，冷却剂经由冷却剂入口被供应到热交换模块；以及冷却剂出口，在执行冷却之后冷却剂经由冷却剂出口排出，并且冷却剂入口可以连接到旁路通道，所述旁路通道被配置为旁路将被引入到空气压缩单元中的外部空气的至少一部分。
[0042]
根据本发明的各个方面的其他实施例的细节被包括在本发明的以下详细描述中。
[0043]
有益效果
[0044]
根据本发明的实施例，单个膜加湿器能够通过水分交换进行加湿并通过热交换进行冷却，从而可以实现燃料电池系统的简化和小型化。
附图说明
[0045]
图1是包括根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的示意图。
[0046]
图2是根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
[0047]
图3示出了图2的燃料电池膜加湿器的示例性变型例。
[0048]
图4是图2的燃料电池膜加湿器的主视图。
[0049]
图5是图2的燃料电池膜加湿器的平面图。
[0050]
图6是当从图4的线a
‑
a观察时的燃料电池膜加湿器的剖视图。
[0051]
图7是当从图4的线b
‑
b观察时的燃料电池膜加湿器的剖视图。
[0052]
图8示出了壳管式热交换模块。
[0053]
图9示出了蜂窝式热交换模块。
[0054]
图10示出了板式热交换模块。
[0055]
图11示出了应用了图8的管壳式热交换模块的燃料电池膜加湿器。
[0056]
图12是根据本发明的另一实施例的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
[0057]
图13是图12的燃料电池膜加湿器的主视图。
[0058]
图14示出了图12的燃料电池膜加湿器的示例性变型例。
[0059]
图15是根据本发明的又一实施例的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
[0060]
图16是图15的燃料电池膜加湿器的平面图。
[0061]
图17至图19是用于描述根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的操作的示意图。
[0062]
图20是包括根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的另一示例的示意图。
具体实施方式
[0063]
在下文中，将参照附图描述根据本发明的燃料电池膜加湿器及和包括该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统。
[0064]
图1是包括根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的示意图。如图1所示，根据本发明的实施例的燃料电池系统包括空气压缩单元10、燃料电池膜加湿器20和燃料电池堆30。
[0065]
空气压缩单元10从外部空气供应通道l1接收外部空气，压缩接收到的外部空气以产生第一流体，并且将产生的第一流体供应到燃料电池膜加湿器20。空气压缩单元10是用于压缩流体(诸如空气)的设备，并且可以是鼓风机或压缩机。
[0066]
燃料电池膜加湿器20从空气压缩单元10接收第一流体，所述第一流体是高温干燥空气。另外，燃料电池膜加湿器20接收从燃料电池堆30排出的第二流体，所述第二流体是高温、高湿度废气。
[0067]
在燃料电池膜加湿器20的加湿模块200中，第一流体的至少一部分(根据工作条件，可以是全部第一流体或没有第一流体)与第二流体交换水分。通过水分交换而被加湿的第一流体被供应到燃料电池堆30。
[0068]
根据操作条件，第一流体的至少一部分(根据操作条件，可以是全部第一流体或没有第一流体)可能不在加湿模块200中被加湿并且可能通过热交换模块300。此时，第一流体可以通过热交换从高温干燥空气转变为低温干燥空气，并且可以与已经通过加湿模块200的含水分空气(即，加湿的第一流体)混合。混合物可以被供应到燃料电池堆30。附图标记100表示外壳单元。
[0069]
燃料电池堆30是由多个连续布置的单元电池构成的发电组件。每个单元电池被设置为单元燃料电池，所述单元燃料电池被配置为通过氢和氧之间的电化学反应产生电能。每个单元电池包括膜电极组件和紧密接触地设置在其相对两侧的隔板(separators)。每个隔板被配置为导电板的形状，并且隔板形成被配置为使燃料和空气能够流到膜电极组件的
紧密接触表面的通道。在膜电极组件的一个表面形成燃料电极，在膜电极组件的另一表面形成空气电极，并且在燃料电极与空气电极之间形成电解质膜。
[0070]
燃料电极通过氧化反应将通过隔板中的相应的一个隔板的通道供应的氢分成电子和质子，并且电解质膜使质子移动到阴极。空气电极通过还原反应由从燃料电极接收到的电子和质子以及通过隔板中的相应的一个隔板的通道接收到的空气中的氧气产生水和热。由于氢和氧之间的反应而产生的相对高湿度的废气(即第二流体)从燃料电池堆30被供应到燃料电池膜加湿器20。
[0071]
在根据本发明的实施例的燃料电池系统中，如上所述，用于水分交换的加湿模块200和用于热交换的热交换模块300在集成的状态下并排设置在单个外壳单元100中，由此燃料电池系统简化，并且燃料电池系统通过其尺寸的减小而小型化。
[0072]
在下文中，将参照图2至图11描述根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器20。
[0073]
图2是根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的分解透视图，图3示出了图2的燃料电池膜加湿器的示例性变型例，图4是图2的燃料电池膜加湿器的主视图，图5是图2的燃料电池膜加湿器的平面图，图6是从图4的线a
‑
a观察时的燃料电池膜加湿器的剖视图，图7是从图4的线b
‑
b观察时的燃料电池膜加湿器的剖视图。
[0074]
如图2至图7所示，根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器20包括：外壳单元100，所述外壳单元100具有第一空间和第二空间，分隔壁设置在第一空间和第二空间之间；加湿模块200，所述加湿模块200设置在第一空间中；热交换模块300，所述热交换模块300设置在第二空间中；以及通道阀400。
[0075]
外壳单元100限定了膜加湿器20的外观。外壳单元100可以包括外壳主体110和外壳盖120，外壳主体110具有在其中限定的第一空间和第二空间，外壳盖120分别耦接到外壳主体110的相对两端。外壳主体和外壳盖可以一体地彼此耦接。外壳主体110和外壳盖120中的每一个可以由诸如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。
[0076]
如上所述，外壳主体110的内部空间被分隔壁150分成两个空间(即，第一空间和第二空间)，被配置为执行水分交换的加湿模块200以及被配置为通过热交换进行冷却的热交换模块300分别设置在第一空间和第二空间中(见图6)。
[0077]
此外，外壳主体110和外壳盖120中的每一个在其横向方向上的横截面形状可以是多边形或圆形。多边形可以是矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，多边形的角可以倒圆。另外，圆形可以是椭圆形。
[0078]
参考图7，外壳主体110的与加湿模块200对应的部分设置有第二流体入口131和第二流体出口132，第二流体经由第二流体入口131被引入，第二流体经由第二流体出口132排出。
[0079]
外壳盖120分别耦接到外壳主体110的相对两端。第一流体经由其被引入的第一流体入口121形成在外壳盖120中的一个中，第一流体经由其排出的第一流体出口122形成在另一个外壳盖120中。
[0080]
第一流体可以是相对低湿度的流体，并且第二流体可以是相对高湿度的流体。更具体地，第一流体可以是被空气压缩单元10压缩的干燥空气，第二流体可以是从燃料电池堆30排出的高湿度废气。
[0081]
外壳主体110的与热交换模块300相对应的部分设置有冷却剂入口141和冷却剂出
口142，冷却剂经由冷却剂入口141被供应到热交换模块300，在执行冷却之后冷却剂经由冷却剂出口142排出。热交换模块300的冷却可以以空气冷却模式或水冷却模式执行，并且冷却剂可以是从外部供应的空气或水。
[0082]
通道阀400被配置为以可变的分配比将第一流体分配到加湿模块200和热交换模块300，通道阀400形成在形成有第一流体入口121的外壳盖120中。另外，形成有第一流体入口121的外壳盖120可以进一步包括盖分隔壁123，该盖分隔壁123被配置为根据由通道阀400设定的分配比将第一流体引导至加湿模块200和热交换模块300。将外壳主体110的内部空间划分为第一空间和第二空间的分隔壁150、以及盖分隔壁123可以单独形成或一体形成。
[0083]
经由第一流体入口121引入的第一流体的至少一部分被引入到加湿模块200中，第一流体的剩余部分被引入到热交换模块300中。根据工作条件，所有的第一流体被引入到加湿模块200中或热交换模块300中。
[0084]
如图2所示，加湿模块200可以包括被配置为允许水分选择性地通过其中的多个中空纤维膜h。可替代地，如图3所示，可以在加湿模块200中设置多个盒c，在每个盒c中容纳多个中空纤维膜。例如，每个中空纤维膜h可以由全氟磺酸、聚醚酰亚胺、聚苯砜、聚酰亚胺、聚砜或聚醚砜制成。通过中空纤维膜h在第一流体与第二流体之间进行水分交换，第二流体的湿度高于第一流体的湿度。
[0085]
被引入到加湿模块200中的第一流体流过中空纤维膜h中的内腔，从加湿模块200中排出，与已经通过热交换模块300的第一流体混合，经由第一流体出口122排出，并被引入到燃料电池堆30中。
[0086]
加湿模块200在其相对两端设置有灌封单元(未示出)，所述灌封单元被配置为将中空纤维膜h连结并填充它们之间的间隙。因此，加湿模块200的相对两端被灌封单元堵塞，从而在加湿模块中限定被配置为允许第二流体流经其中的通道。每个灌封单元可以由已知材料制成，因此本说明书将省略对其的详细描述。
[0087]
将参照图8至图10描述热交换模块300，热交换模块300被配置为冷却引入到其中的第一流体。图8示出了壳管式热交换模块，图9示出了蜂窝式热交换模块，图10示出了板式热交换模块。
[0088]
图8所示的壳管式热交换模块被配置为具有这样的结构：管束(a bundle of tubes)被容纳在壳中并且一种流体流过管而另一种流体流过壳，由此，作为热传递的结果，在两种流体之间进行热交换。管束可以包括各种管，例如扁平管和垂直销形管。
[0089]
当第一流体(由空气压缩单元10压缩的干燥空气)的至少一部分流过管(如直线箭头所示)时，经由冷却剂入口141引入的冷却剂在壳中流动(如弯曲箭头所示)，与管接触的同时冷却第一流体，并经由冷却剂出口142排出到外部。
[0090]
图9所示的蜂窝式热交换模块是由陶瓷材料制成的蜂窝式热交换器，并且被配置为具有这样的结构：当第一流体(由“空气”表示)在蜂窝管道中流动时，冷却剂(由“水”表示)在与管道相交的方向上被供给以冷却第一流体。
[0091]
图10所示的板式热交换模块包括使用压纹不锈钢板形成的传热板，其中传热板沿竖直方向设置，使得传热板的人字形图案(herringbone pattern)交错，以使流体均匀地分配到传热板以形成湍流，由此冷却剂和第一流体在沿相反方向流动的同时彼此交换热量。
[0092]
被引入到热交换模块300中的第一流体流过构成热交换模块300的热交换器的内部，从热交换模块300排出，与通过加湿模块200加湿的第一流体混合，经由第一流体出口122从膜加湿器20中排出，并且被引入到燃料电池堆30中。提供图8至图10的热交换模块仅用于说明，本发明不限于此。
[0093]
通道阀400被可旋转地安装在形成有第一流体入口121的外壳盖120中，并且调节第一流体的流动方向和流速，使得第一流体以可变的分配比被分配到加湿模块200和热交换模块300。通道阀400可以被配置为根据燃料电池堆的输出状态被进行控制。即，在本发明的实施例中，可以根据燃料电池堆的输出状态来控制第一流体的分配比。通道阀400可以包括被配置为通过转子(未示出)旋转的阀单元420以及在其中阀单元420可旋转的转动空间410(参见图17至图19)。
[0094]
控制本发明的通道阀400的结果，(i)第一流体可以以相等的量流到加湿模块200和热交换模块300，(ii)第一流体可以以更大的量流到加湿模块200和热交换模块300中的任一者，或者(iii)第一流体可以不流到加湿模块200和热交换模块300中的任一者。
[0095]
根据本发明的实施例的燃料电池系统可以进一步包括：被配置为感测燃料电池堆的输出状态的感测单元(未示出)；以及控制器(未示出)，该控制器被配置为输出用于基于由感测单元感测到的燃料电池堆的输出状态来控制通道阀400的控制信号。
[0096]
接下来，将参考图12至图14描述根据本发明的另一实施例的燃料电池膜加湿器。图12是根据本发明的另一实施例的燃料电池膜加湿器20a的分解透视图，图13是图12的燃料电池膜加湿器20a的侧视图，图14示出了图12的燃料电池膜加湿器20a的示例性变型例。
[0097]
与前面的实施例基本类似，图12和图14所示的燃料电池膜加湿器包括外壳单元100a、加湿模块200a、热交换模块300a和通道阀400a。然而，在本实施例中，相对高湿度的第二流体经由外壳盖120a被引入和排出，相对干燥(低湿度)的第一流体经由外壳主体110a被引入和排出。
[0098]
外壳主体110a的内部空间的一部分被分隔壁150a划分成两个空间(即，第一空间和第二空间)，并且被配置为执行水分交换的加湿模块200a以及被配置为通过热交换进行冷却的热交换模块300a设置在各个空间中。
[0099]
在外壳主体110a中形成第一流体入口121a和第一流体出口122a，第一流体经由第一流体入口121a被引入，第一流体经由第一流体出口122a排出。在第一流体入口121a中形成通道阀400a，通道阀400a被配置为以可变的分配比将引入到第一流体入口中的第一流体分配到加湿模块200a和热交换模块300a。另外，形成有第一流体入口121a的外壳主体110a可以包括延伸分隔壁151a，该延伸分隔壁151a被配置为根据由通道阀400a设定的分配比将第一流体引导至加湿模块200a和热交换模块300a。将外壳主体110a的内部空间划分为第一空间和第二空间的分隔壁150a、以及延伸分隔壁151a可以单独形成或一体形成。
[0100]
经由第一流体入口121a引入的第一流体的至少一部分被引入到加湿模块200a中，第一流体的剩余部分被引入到热交换模块300a中。根据工作条件，所有的第一流体仅被引入到加湿模块200a和热交换模块300a中的任一者。
[0101]
外壳主体110a的与热交换模块300a相对应的部分设置有冷却剂入口141a和冷却剂出口142a，冷却剂经由冷却剂入口141a被引入，在执行冷却之后冷却剂经由冷却剂出口142a排出。冷却剂入口141a和冷却剂出口142a可以形成在外壳主体110a的侧表面中。然而，
本发明不限于此。如图14所示，冷却剂入口141a和冷却剂出口142a可以形成在外壳主体110a的上表面或下表面中。在这种情况下，冷却剂入口141a和冷却剂出口142a可以形成为穿过外壳主体110a的上表面或下表面，以连接到热交换模块300a，使得冷却剂被供应到热交换模块300a或从热交换模块300a中排出。
[0102]
外壳盖120a分别耦接到外壳主体110a的相对两端。相对高湿度的第二流体经由其中被引入的第二流体入口131a形成在其中一个外壳盖120a中，第二流体经由其中排出的第二流体出口132a形成在另一个外壳盖120a中。
[0103]
加湿模块200a和热交换模块300a与前述实施例的加湿模块和热交换模块相同，因此将省略对其的重复描述。另外，除了通道阀安装在第一流体入口121a中之外，通道阀400a在功能和结构上与前述实施例的通道阀基本上相同，因此将省略对其的重复描述。
[0104]
将参照图15和图16描述根据本发明的又一实施例的燃料电池膜加湿器。图15是根据本发明的又一实施例的燃料电池膜加湿器20b的分解透视图，图16是图15的燃料电池膜加湿器的平面图。
[0105]
与前述实施例基本相似，图15和图16所示的燃料电池膜加湿器包括外壳单元100b、加湿模块200b、热交换模块300b和通道阀400b。在本实施例中，高湿度的第二流体经由外壳盖120b被引入和排出，干燥(低湿度)的第一流体经由外壳主体110b被引入和排出，第一流体入口121b和第一流体出口122b一起形成在外壳主体110b的上表面或下表面中。
[0106]
外壳主体110b的内部空间的一部分被分隔壁150b划分成两个空间(即第一空间和第二空间)，并且被配置为进行水分交换的加湿模块200b以及被配置为通过热交换进行冷却的热交换模块300b设置在各个空间中。
[0107]
外壳主体110b在其一个表面(上表面或下表面)中设置有第一流体入口121b和第一流体出口122b，第一流体经由第一流体入口121b被引入，第一流体经由第一流体出口122b排出。在第一流体入口121b中形成通道阀400b，通道阀400b被配置为以可变的分配比将第一流体分配到加湿模块200b和热交换模块300b。另外，形成有第一流体入口121b和第一流体出口122b的外壳主体110b可以包括延伸分隔壁151b和交叉分隔壁152b，该延伸分隔壁151b被配置为根据由通道阀400b设定的分配比将经由第一流体入口121b引入的第一流体引导至加湿模块200b和热交换模块300b，交叉分隔壁152b被配置为防止从第一流体入口121b流到加湿模块200b和热交换模块300b的第一流体与从加湿模块200b和热交换模块300b流向第一流体出口122b的第一流体混合。延伸分隔壁151b和交叉分隔壁152b可以彼此相交。交叉分隔壁152b可以形成在第一流体入口121b与第一流体出口122b之间，并且交叉分隔壁152b与延伸分隔壁151b一起将外壳主体110b中的流体流动空间(即，加湿模块200b以及热交换模块300b与外壳主体110b之间的空间)划分为四个空间。
[0108]
加湿模块200b在其一个表面(上表面或下表面)中设置有第一引入窗201b和第一排出窗202b，经由第一流体入口121b引入的第一流体经由第一引入窗201b被引入到加湿模块200b中，第一流体在加湿模块200b中流动的同时通过水分交换被加湿后经由第一排出窗202b排出。
[0109]
此外，热交换模块300b在其一个表面(上表面或下表面)中设置有第二引入窗301b和第二排出窗302b，经由第一流体入口121b引入的第一流体经由该第二引入窗301b被引入到热交换模块300b中，第一流体在热交换模块300b中流动的同时被冷却后经由该第二排出
窗302b排出。
[0110]
第一引入窗201b和第二引入窗301b以及第一排出窗202b和第二排出窗302b中的每一个形成为穿过加湿模块200b和热交换模块300b中的相应的一个模块的一个表面的一部分。
[0111]
外壳主体110b的与热交换模块300b相对应的部分设置有冷却剂入口141b和冷却剂出口142b，冷却剂经由冷却剂入口141b被引入，在执行冷却之后冷却剂经由冷却剂出口142b排出。冷却剂入口141b和冷却剂出口142b可以形成在外壳主体110b的侧表面中。
[0112]
外壳盖120b分别耦接到外壳主体110b的相对两端。第二流体入口131b形成在其中一个外壳盖120b中，第二流体出口132b形成在另一个外壳盖120b中。
[0113]
加湿模块200b和热交换模块300b与前述实施例的加湿模块和热交换模块相同，因此将省略对其的重复描述。另外，除了通道阀安装在第一流体入口121b中之外，通道阀400b在功能和结构上与前述实施例的通道阀基本上相同，因此将省略对其的重复描述。
[0114]
第一流体根据由通道阀400b设定的分配比通过延伸分隔壁151b被引导到加湿模块200b和/或热交换模块300b。
[0115]
经由第一流体入口121b引入的第一流体的至少一部分经由第一引入窗201b被引入到加湿模块200b中，并且第一流体的剩余部分经由第二引入窗301b被引入到热交换模块300b中。根据工作条件，所有的第一流体仅被引入到加湿模块200b和热交换模块300b中的任一者。此时，交叉分隔壁152b防止第一流体在不经由引入窗201b和301b被引入到加湿模块200b和/或热交换模块300b中的情况下经由第一流体出口122b直接排出。
[0116]
被引入到加湿模块200b和/或热交换模块300b中的第一流体进行水分交换和/或热交换，并且从燃料电池膜加湿器20b经由第一流体出口122b排出。
[0117]
接下来，将参照图17至19描述根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的工作。同时，根据本发明的每个其他实施例的燃料电池膜加湿器的工作与根据本实施例的燃料电池膜加湿器的工作基本上相同，因此将省略对其的重复描述。
[0118]
图17示出了第一流体仅被引入到加湿模块200中从而仅实现加湿器的功能的示例。控制器执行控制使得阀单元420阻挡朝向热交换模块300的所有流。被空气压缩单元10压缩的所有的干燥空气(第一流体)流入加湿模块200中的中空纤维膜并且从膜加湿器经由另一个外壳盖120的第一流体出口122排出。在该过程中，第一流体与经由第二流体入口131引入的第二流体交换水分。
[0119]
图18示出了第一流体仅被引入到热交换模块300中从而仅实现热交换器的功能的示例。控制器执行控制使得阀单元420阻挡朝向加湿模块200的所有流。由空气压缩单元10压缩的所有的干燥空气(第一流体)流入到热交换模块300中并且从膜加湿器经由另一个外壳盖120的第一流体出口122排出。在该过程中，不执行第一流体与第二流体之间的水分交换，而仅执行第一流体与冷却剂之间的热交换。此时，可以调节被引入到热交换模块300中的冷却剂的温度和流速，以将经由第一流体出口122排出并且被引入到燃料电池堆30中的第一流体的温度调节至所需温度。
[0120]
图19示出了第一流体被引入到加湿模块200和热交换模块300中以实现加湿和热交换功能的示例。控制器执行控制使得阀单元420阻挡朝向加湿模块200和热交换模块300的一部分流。被空气压缩单元10压缩的干燥空气(第一流体)的至少一部分流入到加湿模块
200中，第一流体的剩余部分流入到热交换模块300中。随后，第一流体从膜加湿器经由另一个外壳盖120的第一流体出口122排出。已经通过加湿模块200的第一流体和已经通过热交换模块300的第一流体在混合状态下经由第一流体出口122排出，并且被引入到燃料电池堆30中。此时，可以通过通道阀400调节加湿的量并且调节被引入到热交换模块300中的冷却剂的温度和流速，以调节混合状态下的第一流体的温度。因此，可以将被引入到燃料电池堆30中的第一流体的加湿状态和温度调节到期望的加湿状态和期望温度。
[0121]
接下来，将参照图20描述包括根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的另一示例。
[0122]
如图20所示，根据本发明的另一实施例的燃料电池系统包括空气压缩单元10、燃料电池膜加湿器20、燃料电池堆30、旁路通道l2和旁通阀v。
[0123]
除了进一步包括旁路通道l2和旁通阀v之外，根据本实施例的燃料电池系统在结构上与根据前述实施例的燃料电池系统相同，因此将省略对空气压缩单元10、燃料电池膜加湿器20和燃料电池堆30的详细描述。
[0124]
根据本实施例的燃料电池系统包括从安装在空气压缩单元10的前侧的上游的外部空气供应通道l1分支的旁路通道l2，以连接到热交换模块300的冷却剂入口141。被配置为调节旁通流量的旁通阀v形成在外部空气供应通道l1中。
[0125]
在根据前述实施例的燃料电池系统中，热交换模块300使用从外部供应的冷却剂来冷却第一流体。在这种情况下，必须提供单独的冷却剂储存单元以供应这种冷却剂。因此，难以简化和小型化燃料电池系统。
[0126]
在本实施例中，将被引入到空气压缩单元10中的外部空气的至少一部分经由旁路通道l2供应到热交换模块300以冷却第一流体。因此，对于空气冷却式热交换器，不需要提供被配置为供应冷却剂的单独的冷却剂存储单元，由此可以构成更简化/小型化的燃料电池系统。