燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的制作方法

1.本公开总体上涉及一种燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统，更具体地，涉及一种燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统，其中在一个膜加湿器中通过水分交换进行加湿和通过热交换进行冷却，使得所述燃料电池系统可以简化并且小型化。


背景技术：

2.燃料电池是一种通过结合氢气和氧气来产生电力的发电型电池。与常规的化学电池如干电池和蓄电池不同，燃料电池可以持续地发电，只要向其供应氢气和氧气即可，并且由于在燃料电池中没有热量损失，因此，具有效率是内燃机的两倍的优点。
3.另外，燃料电池将氢气与氧气的结合所产生的化学能直接转化为电能，因此，污染物的排放量低。因此，燃料电池不仅是环境友好的，而且具有减少由于能源消耗增加而引起对资源枯竭的担忧的优点。
4.根据使用的电解质的类型，这种燃料电池可以主要分为聚合物电解质膜燃料电池(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)和碱性燃料电池(afc)。
5.这些燃料电池各自以相同的原理运行，但是使用的燃料的类型、运行温度、催化剂、电解质等不同。在燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)在与其它燃料电池相比较低的工作温度下运行，并且具有高输出密度而能够小型化，因此，已知是在运输系统以及小型固定式发电设备中最有前景的。
6.改善聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)的性能的最重要的因素之一是向膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜或质子交换膜(pem)提供预定量的水分，以便保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜干燥时，燃料电池的发电效率迅速降低。
7.加湿聚合物电解质膜的方法包括：1)起泡器加湿法，在用水填充压力容器之后，将目标气体通过扩散器穿过压力容器，以便向压力容器提供水分；2)直接注入法，计算燃料电池反应所需要的水分的供应量，并且通过电磁阀将水分直接供应至气流管；和3)膜加湿法，通过使用聚合物膜将水分供应至气体流动层。
8.在这些方法中，膜加湿法通过使用仅废气中包含的水蒸气选择性透过的膜，通过向供应至聚合物电解质膜的空气提供水蒸气来加湿聚合物电解质膜，具有的优点是，膜加湿法可以减小加湿器的重量和尺寸。
9.膜加湿法中使用的选择性渗透膜优选是在形成组件时每单位体积具有大的渗透面积的中空纤维膜。即，当通过使用中空纤维膜制造加湿器时，具有大接触表面积的中空纤维膜可以高度集成，由此可以充分进行小容量燃料电池的加湿，并且可以使用低成本材料，并且可以通过加湿器回收在高温下由燃料电池排出的未反应气体中包含的水分和热量以重新使用。
10.同时，在燃料电池系统中，通过膜加湿器将由压缩机或鼓风机产生的高温干燥空气引入到燃料电池堆中。在这种情况下，高温干燥空气通过热交换装置如空气冷却器进行热交换以适应燃料电池堆的运行条件，然后通过膜加湿器加湿并且供应至燃料电池堆。
11.目前，热交换装置和膜加湿器串联地排列，用于热交换和加湿(水分控制)。这需要在膜加湿器和鼓风机之间安装附加的空气冷却器。
12.然而，空气冷却器由于其体积大而不利于封装应用，并且增加被鼓风机压缩的空气的压力损失，而且另外需要冷却剂流路，因此，空气冷却器的问题在于，空气冷却器具有复杂的设备并且在小型化方面不利。


技术实现要素：

13.技术问题
14.本公开意在提供一种燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统，其中在一个膜加湿器中通过水分交换进行加湿和通过热交换进行冷却，使得所述燃料电池系统可以简化和小型化。
15.技术方案
16.根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：壳部，具有被隔板(partition)分开的空间；加湿模块，形成在所述分开的空间的第一部分中并且具有多个中空纤维膜使得在其内部流动的第一流体能够与在其外部流动的第二流体进行水分交换；热交换模块，形成在所述分开的空间的第二部分中，并且被构造成用于冷却在所述热交换模块的内部流动的第一流体；和流动控制部，被构造成用于根据取决于燃料电池堆的输出状态的所述第一流体的温度变化来自动地(actively)控制第一流体的流动方向。
17.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述流动控制部可以是双金属元件(bimetal)，该双金属元件由在所述加湿模块一侧上的由具有高热膨胀系数的金属制成的金属板和在所述热交换模块一侧上的由具有低热膨胀系数的金属制成的金属板组成。
18.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述流动控制部还可以包括通过固定至所述双金属元件的端部形成的开/关窗，该开/关窗被构造成用于根据双金属元件的形状的改变来打开和关闭所述加湿模块和所述热交换模块的每一个的流路。
19.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述壳部可以包括：被所述隔板分为两个空间的壳体；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上分别形成第一流体入口和第一流体出口，第一流体通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出，其中，其上形成有所述第一流体入口的壳盖可以包括：所述流动控制部，其控制所述第一流体的流动方向；和盖隔板(cap partition)，其在所述隔板的延伸方向上形成。
20.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述壳部可以包括：被隔板分为两个空间的壳体，其中，在所述壳体上形成第一流体入口和第一流体出口，第一流体通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上可以分别形成第二流体入口和第二流体出口，第二流体通过该第二流体入口引入，第二流体通过该第二流体出口排出，其中，所述壳体可以包括
通过在朝向所述第一流体入口的方向上延伸而形成的延伸隔板(extended partition)。
21.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述壳部可以包括：被隔板分为两个空间的壳体，其中，第一流体入口和第一流体出口一起形成在所述壳体的一个表面上，第一流体通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上分别形成第二流体入口和第二流体出口，第二流体通过该第二流体入口引入，第二流体通过该第二流体出口排出，其中，所述壳体可以包括：延伸隔板，其通过在朝向所述第一流体入口和所述第一流体出口的每一个的方向上延伸而形成；和交叉隔板(cross partition)，其在与所述延伸隔板交叉的方向上在所述第一流体入口与所述第一流体出口之间形成。
22.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述热交换模块可以是管壳式热交换模块、蜂窝式热交换模块或板式热交换模块。
23.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述壳部可以包括：冷却介质入口，冷却介质通过该冷却介质入口被供应至所述热交换模块；和冷却介质出口，已经进行了冷却的冷却介质通过该冷却介质出口排出，其中，所述冷却介质入口可以连接至分流流路，该分流流路将待引入到空气压缩装置中的室外空气的至少一部分分流。
24.根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统包括：空气压缩装置，其接收并压缩室外空气以产生第一流体；燃料电池堆，其引起氢气与氧气之间的反应以产生热且高湿度的第二流体；和燃料电池膜加湿器，其包括：加湿模块，其通过利用由所述空气压缩装置压缩的第一流体与所述从燃料电池堆排出的第二流体之间的水分交换来加湿第一流体；热交换模块，其冷却所述第一流体；和流动控制部，其根据取决于所述燃料电池堆的输出状态的所述第一流体的温度变化来自动地控制所述第一流体的流动方向。
25.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述流动控制部可以是由在所述加湿模块一侧上的由具有高热膨胀系数的金属制成的金属板和在所述热交换模块一侧上的由具有低热膨胀系数的金属制成的金属板组成的双金属元件。
26.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述流动控制部还可以包括通过固定至所述双金属元件的端部形成的开/关窗，该开/关窗被构造成用于根据双金属元件的形状的改变来打开和关闭所述加湿模块和所述热交换模块的每一个的流路。
27.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述燃料电池膜加湿器可以包括壳部，该壳部具有被隔板分开的空间，所述加湿模块可以形成在所述分开的空间的第一部分中并且具有多个中空纤维膜使得在其内部流动的第一流体能够与在其外部流动的第二流体进行水分交换，并且所述热交换模块可以形成在所述分开的空间的第二部分中并且冷却在所述热交换模块的内部流动的第一流体。
28.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述壳部可以包括：被所述隔板分为两个空间的壳体；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上可以分别形成第一流体入口和第一流体出口，第一流体通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出，其中，其上形成有所述第一流体入口的壳盖可以包括：所述流动控制部，其控制所述第一流体的流动方向；和盖隔板，其在所述隔板的延伸方向上形成。
29.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述壳部可以包括：被隔板分为两个空间的壳体，其中，在所述壳体上可以形成第一流体入口和第一流体出口，第一流体
通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上可以分别形成第二流体入口和第二流体出口，第二流体通过该第二流体入口引入，第二流体通过该第二流体出口排出，其中，所述壳体可以包括通过在朝向所述第一流体入口的方向上延伸而形成的延伸隔板。
30.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述壳部可以包括：被隔板分为两个空间的壳体，其中，第一流体入口和第一流体出口可以一起形成在所述壳体的一个表面上，第一流体通过该第一流体入口引入，第一流体通过该第一流体出口排出；和分别耦合至所述壳体的相对两端的壳盖，其中，在所述壳盖上可以分别形成第二流体入口和第二流体出口，第二流体通过该第二流体入口引入，第二流体通过该第二流体出口排出，其中，所述壳体可以包括：延伸隔板，其通过在朝向所述第一流体入口和所述第一流体出口的每一个的方向上延伸而形成；和交叉隔板，其在与所述延伸隔板交叉的方向上在所述第一流体入口与所述第一流体出口之间形成。
31.在根据本公开的一个实施方案的燃料电池系统中，所述壳部可以包括：冷却介质入口，冷却介质通过该冷却介质入口被供应至所述热交换模块；和冷却介质出口，已经进行了冷却的冷却介质通过该冷却介质出口排出，其中，所述冷却介质入口可以连接至分流流路，该分流流路将待引入到空气压缩装置中的室外空气的至少一部分分流。
32.根据本公开的各个方面的实施方案的其它详细说明包括在下面的详细描述中。
33.有益效果
34.根据本公开的燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的实施方案，在一个膜加湿器中通过水分交换进行加湿和通过热交换进行冷却，使得燃料电池系统可以简化和小型化。
附图说明
35.图1是示出根据本公开的第一实施方案的具有燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的图；
36.图2是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的透视图；
37.图3是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的一个应用实例的透视图；
38.图4是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图；
39.图5是示出根据本公开的第一实施方案的改变实例的燃料电池膜加湿器的前视图；
40.图6是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的俯视图；
41.图7是沿图4的a-a线的横截面图；
42.图8是沿图4的b-b线的横截面图；
43.图9是示出作为管壳式热交换模块的热交换模块的图；
44.图10是示出作为蜂窝式热交换模块的热交换模块的图；
45.图11是示出作为板式热交换模块的热交换模块的图；
46.图12是示出图9的管壳式热交换模块应用于根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的图；
47.图13是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器的透视图；
48.图14是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器的侧视图；
49.图15是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器的一个应用实例的透视图；
50.图16是示出根据本公开的第三实施方案的燃料电池膜加湿器的透视图；
51.图17是图16的俯视图；
52.图18是示出根据本公开的第三实施方案的改变实例的燃料电池膜加湿器的俯视图；
53.图19至图21是示出根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的运行过程的图；
54.图22是示出具有根据本公开的各个实施方案的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的另一实例的图。
具体实施方式
55.本公开可以不同地变化并且可以具有各种实施方案，但是在本公开中将详细地说明和描述具体实施方案。然而，这不意在将本公开限制于具体的实施方案，并且具体的实施方案应当理解为包括在本公开的构思和技术范围内涵盖的所有变换、等同物或替代物。
56.本公开中使用的术语仅用于描述具体的实施方案，并且不意在限制本公开。除非在上下文中另外明确说明，否则各个术语的单数表达包括其复数表达。在本公开中，术语如“包括”或“具有”意在指定存在说明书中描述的特征、数目、步骤、操作、部件、部分或它们的组合，并且应当理解为不排除存在或加入一个或更多个其它特征或数目、步骤、操作、部件、部分或它们的组合的可能性。下文中，将参照附图描述燃料电池膜加湿器和具有该燃料电池膜加湿器的燃料电池系统。
57.图1是示出根据本公开的第一实施方案的具有燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的图。如图1中所示，根据本公开的第一实施方案的燃料电池系统包括空气压缩装置10、燃料电池膜加湿器20和燃料电池堆30。
58.空气压缩装置10接收并压缩来自室外空气供应路径l1的室外空气，并将压缩空气供应至燃料电池膜加湿器20。空气压缩装置10是用于压缩流体如空气的装置并且可以是，例如，鼓风机或压缩机。
59.向燃料电池膜加湿器20供应由空气压缩装置10压缩的干热空气。此外，向燃料电池膜加湿器20供应从燃料电池堆30排出的高温高湿气体。
60.在燃料电池膜加湿器20的加湿模块200中，进行由空气压缩装置10压缩的干燥空气的至少一部分(根据燃料电池膜加湿器的运行条件，全部干燥空气或无干燥空气)与由燃料电池堆30排出的高湿气体之间的水分交换。作为水分交换的结果，干燥空气在包含水分时被供应至燃料电池堆30。
61.根据运行条件，由空气压缩装置10压缩的干燥空气的至少一部分(根据运行条件，全部干燥空气或无干燥空气)没有在加湿模块200中加湿，而是在通过热交换模块300时仅与热交换模块300进行热交换，并且高温干燥空气变为低温干燥空气之后，将低温干燥空气与已经通过加湿模块200的加湿空气混合，并且可以供应至燃料电池堆30。附图标记100表示壳部。
62.燃料电池堆30被构造为其中多个单元电池连续排列的发电组件，并且各个单元电池提供为通过氢气与空气的电化学反应产生电能的单元燃料电池。各个单元电池包括膜电极组件和设置为与所述膜电极组件的各个相对面紧密接触的隔板。所述隔板被构造为具有导电板的形式，并且形成用于将燃料和空气移动至膜电极组件的紧密接触表面的通道。所述膜电极组件具有在其第一表面上形成的阳极和在其第二表面上形成的阴极，并且被构造为具有在阳极与阴极之间形成的电解质膜。
63.阳极使通过隔板的通道供应的氢气氧化以将电子和氢离子彼此分离，并且电解质膜用于将氢离子移动至阴极。此外，阴极用于使从阳极接收的电子和氢离子，以及通过隔板的通道供应的空气中的氧气脱氧，以便产生水和热。将由氢气与氧气之间的反应产生的高湿度废气从燃料电池堆30供应至燃料电池膜加湿器20。
64.在根据本公开的第一实施方案的这种燃料电池系统中，加湿模块200和用于热交换的热交换模块300位于用于水分交换的一个壳部100的内部并且以平行的方式彼此集成，从而简化燃料电池系统并使燃料电池系统小型化。
65.下文中，将参照图2至图8描述根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器20。
66.图2是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的透视图，图3是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的一个应用实例的透视图，图4是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图，图5是示出根据本公开的第一实施方案的一个改变实例的燃料电池膜加湿器的前视图，图6是示出根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的俯视图，图7是沿图4的a-a线的横截面图，图8是沿图4的b-b线的横截面图。
67.如图2至图8中所示，根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器20包括：壳部100、加湿模块200、热交换模块300和流动控制部400。
68.壳部100构成燃料电池膜加湿器20的外部。壳部100可以包括壳体110和壳盖120，并且可以被构造为彼此耦合的一体型。壳体110和各个壳盖120可以由刚性塑料如聚碳酸酯或金属制成。
69.壳体110被隔板150分为两个空间，并且被构造成用于进行水分交换的加湿模块200和被构造成用于通过热交换进行冷却的热交换模块300分别设置在所述空间中(参见图7)。
70.另外，壳体110和壳盖120的每一个可以在宽度方向的截面中具有多边形或圆形形状。所述多边形可以是矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，并且也可以是具有圆角的形状。此外，所述圆形可以是椭圆形。
71.参照图8，在壳体110的设置有加湿模块200的一部分上形成第二流体入口131和第二流体出口132，第二流体通过第二流体入口131供应，第二流体通过第二流体出口132排出。第一流体可以是低湿度流体，第二流体可以是高湿度流体。更具体地，第一流体可以是由空气压缩装置10压缩的干燥空气，第二流体可以是由燃料电池堆30排出的高湿气体。
72.在壳体110的设置有热交换模块300的一部分上形成冷却介质入口141和冷却介质出口142，冷却介质通过冷却介质入口141供应，已经进行了冷却的冷却介质通过冷却介质出口142排出。通过热交换模块300的冷却方法可以是空气冷却式或水冷却式，并且冷却介
质可以是从外部供应的空气或水。
73.壳盖120耦合至壳体110的相对两端的每一个。第一流体入口121和第一流体出口122分别形成在壳盖120上。控制引入的第一流体的流动方向的流动控制部400形成在其上形成有第一流体入口121的壳盖120中。此外，其上形成有第一流体入口121的壳盖120可以包括：在壳体110中形成的隔板150的延伸方向上形成的盖隔板123(参见图12)。隔板150和盖隔板123可以根据其设计彼此单独形成或彼此一体形成。其方向被流动控制部400控制的第一流体通过盖隔板123被引导至加湿模块200或热交换模块300。
74.引入到第一流体入口121中的第一流体的至少一部分被引入到加湿模块200中，其剩余部分被引入到热交换模块300中。根据运行条件，可以将所有的第一流体引入到加湿模块200或热交换模块300中。
75.在加湿模块200的内部可以设置成束的中空纤维膜，其中容纳有能够使水分选择性地通过的多个中空纤维膜h。或者，如图3中所示，在加湿模块200的内部可以设置容纳有多个中空纤维膜的多个盒c(cartridges c)。例如，中空纤维膜h可以是由nafion材料、聚醚酰亚胺材料、聚苯砜材料、聚酰亚胺材料、聚砜材料或聚酯砜材料制成的中空纤维膜。中空纤维膜h具有不同程度的水分交换，但是通常进行在第一流体与第二流体之间交换水分的功能。
76.引入到加湿模块200中的第一流体通过各个中空纤维膜的内部的管道并且排出至加湿模块200的外部，然后与通过热交换模块300的第一流体混合，并且混合后的第一流体通过第一流体出口122被引入到燃料电池堆30中。
77.在加湿模块200的相对两端部的每一个上形成封装部(potting part)(未示出)，封装部支撑中空纤维膜h并且填充各个中空纤维膜之间的间隙。因此，加湿模块200的相对两端部被封装部封堵，并且在加湿模块内部形成供第二流体通过的流路。封装部的材料为公知技术，此处将省略其详细说明。
78.根据燃料电池堆的输出状态，流动控制部400控制被引入到加湿模块200和热交换模块300的每一个中的第一流体的流动方向。流动控制部400根据取决于燃料电池堆的高或低输出的第一流体的温度变化来自动地控制第一流体的流动方向。
79.为此，如图4中所示，流动控制部400可以包括双金属元件，其通过将具有不同热膨胀系数的两个或更多个金属板叠合而被制造为一根棒的形状。
80.当燃料电池堆30的输出为低输出时，燃料电池膜加湿器20中的加湿量相对小，当燃料电池堆30的输出为高输出时，燃料电池膜加湿器20中的加湿量相对大。
81.另外，当燃料电池堆30的输出为低输出时，从鼓风机供应至燃料电池膜加湿器20的第一流体具有相对低的温度，并且，当燃料电池堆30的输出为高输出时，从鼓风机供应至燃料电池膜加湿器20的第一流体具有相对高的温度。
82.因此，在流动控制部400中，在加湿模块200那侧的金属板可以是具有高热膨胀系数的金属，在热交换模块300那侧的金属板可以是具有低热膨胀系数的金属。
83.或者，如图5中所示，流动控制部400可以包括双金属元件410和开/关窗420。双金属元件410可以通过叠合具有不同热膨胀系数的两个或更多个金属板而被制造为具有一根棒的形状。在双金属元件410中，在加湿模块200那侧上的金属板可以是具有高热膨胀系数的金属，在热交换模块300那侧上的金属板可以是具有低热膨胀系数的金属。开/关窗420形
成为固定至双金属元件410的端部，并且可以根据双金属元件410的形状的变化在第一流体入口121中移动的同时打开和关闭加湿模块200和热交换模块300的每一个的流路。
84.在没有用于控制第一流体的流速的阀、用于感测第一流体的流速的传感器和用于控制阀的操作的控制器的情况下，这种流动控制部400自动地使得第一流体能够均匀地流动通过加湿模块200和热交换模块300，或者过度地流动至加湿模块200和热交换模块300中的一个，或者根据燃料电池堆的输出状态进行控制使得第一流体不流动至加湿模块200和热交换模块300中的一个，并且可以控制第一流体的流速。
85.将参照图9至图11描述热交换模块300。图9是示出管壳式热交换模块的图，图10是示出蜂窝式热交换模块的图，图11是示出板式热交换模块的图。
86.图9中所示的壳管式热交换模块由具有其中容纳有成束的管的壳构成，并且当一个流体流动通过各个管而另一流体流动通过壳时，流体的热量彼此传递并在其之间交换。管可以被构造为各种类型的管，如扁平管和具有垂尾形状的管。
87.当第一流体(由空气压缩装置10压缩的干燥空气)的至少一部分流动通过管(由直箭头表示)时，通过冷却介质入口141引入到壳中的冷却介质流动通过壳的内部(由弯曲箭头表示)并与管接触，并且冷却第一流体，然后通过冷却介质出口142排出至外部。
88.图10中所示的蜂窝式热交换模块是体现为由陶瓷材料制成的蜂窝的形式的热交换器，并且当第一流体(由空气表示)在蜂窝式管道的内部流动时，冷却介质(由水表示)沿着与管道交叉的方向被供应并且冷却第一流体。
89.图11中所示的板式热交换模块(板式热交换器)的热板被构造为压花不锈钢板，并且被排布为使得各个热板的人字形图案的方向上下彼此不一致，由此，流体被均匀地分布至热板，以形成湍流和彼此逆流的流动，从而与热源侧热交换。
90.如上所述引入到热交换模块300中的第一流体通过构成热交换模块300的热交换装置的内部，并且排出至热交换模块300的外部，然后与通过加湿模块200的第一流体混合，并且通过第一流体出口122引入到燃料电池堆30中。图9至图11的热交换模块仅是用于描述的实例，并且不必局限于此。
91.图12是示出了图9的壳管式热交换模块应用于根据本公开的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的图。
92.接下来，将参照图13至图15描述根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器。图13是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器20a的透视图，图14是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器20a的侧视图，图15是示出根据本公开的第二实施方案的燃料电池膜加湿器20a的一个应用实例的透视图。
93.图13至图15中所示的燃料电池膜加湿器与上面描述的第一实施方案的燃料电池膜加湿器基本相似，并且配备有：壳部100a、加湿模块200a、热交换模块300a和流动控制部400a。在第二实施方案中，高湿度的第二流体通过壳盖120a流入和流出，并且干燥(低湿度)的第一流体通过壳体110a流入和流出。
94.壳体110a被隔板150a分为两个空间，并且在这两个空间中分别设置进行水分交换的加湿模块200a和通过热交换进行冷却的热交换模块300a。
95.第一流体入口121a和第一流体出口122a形成在壳体110a的设置有加湿模块200a的部分上，第一流体通过第一流体入口121a供应，第一流体通过第一流体出口122a排出。控
制引入的第一流体的流动方向的流动控制部400a形成在第一流体入口121a中。此外，其上形成有第一流体入口121a的壳体110a可以包括延伸隔板151a，该延伸隔板151a以形成在壳体110a中的隔板150a沿着朝向第一流体入口121a的方向延伸的方式形成。隔板150a和延伸隔板151a可以根据其设计彼此单独形成或彼此一体形成。其方向被流动控制部400a控制的第一流体通过延伸隔板151a被引导至加湿模块200a或热交换模块300a。
96.被引入到第一流体入口121a中的第一流体的至少一部分被引入到加湿模块200a中，并且其剩余部分被引入到热交换模块300a中。根据燃料电池膜加湿器的运行情况，可以将所有的第一流体引入到加湿模块200a或热交换模块300a中。
97.冷却介质入口141a和冷却介质出口142a形成在壳体110a的设置有热交换模块300a的部分中，冷却介质通过冷却介质入口141a供应，已经进行了冷却的冷却介质通过冷却介质出口142a排出。冷却介质入口141a和冷却介质出口142a可以形成在壳体110a的侧表面上。然而，冷却介质入口141a和冷却介质出口142a不限于此，并且如图15中所示，冷却介质入口141a和冷却介质出口142a可以形成在壳体110a的上表面或下表面上。在这种情况下，为了将冷却介质移动通过热交换模块300a，冷却介质入口141a和冷却介质出口142a形成为通过壳体110a的上表面或下表面，以便与热交换模块300a连接。
98.壳盖120a与壳体110a的相对两端的每一个耦合。第二流体入口131a和第二流体出口132a分别形成在壳盖120a上。
99.加湿模块200a和热交换模块300a与根据上述第一实施方案的相关模块相同，因此，将省略对其的重复描述。此外，流动控制部400a与流动控制部400的不同之处仅在于，流动控制部400a安装在第一流体入口121a中，并且流动控制部400a的功能和构造与流动控制部400基本相同，因此，将省略对其的重复描述。
100.接下来，将参照图16至图18描述根据本公开的第三实施方案的燃料电池膜加湿器。图16是示出根据本公开的第三实施方案的燃料电池膜加湿器20b的透视图，图17是图16的俯视图，图18是示出根据本公开的第三实施方案的一个改变实例的燃料电池膜加湿器的俯视图。
101.图16至图18中所示的燃料电池膜加湿器与上述第二实施方案的燃料电池膜加湿器基本相似，并且配备有壳部100b、加湿模块200b、热交换模块300b和流动控制部400b。在第三实施方案中，高湿度的第二流体通过壳盖120b流入和流出，干燥(低湿度)的第一流体通过壳体110b流入和流出，并且第一流体入口121b和第一流体出口122b一起形成在壳体110b的上表面或下表面上。
102.壳体110b被隔板150b分为两个空间，并且在这两个空间中分别设置进行水分交换的加湿模块200b和通过热交换进行冷却的热交换模块300b。
103.第一流体入口121b和第一流体出口122b形成在壳体110b的设置有加湿模块200b的部分的一个表面(上表面或下表面)上，第一流体通过第一流体入口121b供应，第一流体通过第一流体出口122b排出。控制被引入的第一流体的流动方向的流动控制部400b形成在第一流体入口121b中。此外，其上形成有第一流体入口121b和第一流体出口122b的壳体110b可以包括：延伸隔板151b，其以形成在壳体110b中的隔板150b在朝向第一流体入口121b和第一流体出口122b的每一个的方向上延伸的方式形成；和交叉隔板152b，其沿着与延伸隔板151b交叉的方向形成。交叉隔板152b可以形成在第一流体入口121b与第一流体出
口122b之间。延伸隔板151b和交叉隔板152b将由加湿模块200b、热交换模块300b和壳体110b限定的空间分为四个单独的空间。
104.在加湿模块200b的一个表面(上表面或下表面)上形成：第一引入窗201b，其使得通过第一流体入口121b引入的第一流体能够被引入到加湿模块200b中；和第一排出窗202b，其使得在流动通过加湿模块200b的内部时进行了水分交换的第一流体能够从其中排出。
105.另外，在热交换模块300b的一个表面(上表面或下表面)上形成：第二引入窗301b，其使得通过第一流体入口121b引入的第一流体能够被引入到热交换模块300b中；和第二排出窗302b，其使得在流动通过热交换模块300b的内部时进行了热交换的第一流体能够从其中排出。
106.引入窗201b和排出窗202b的每一个形成为通过加湿模块200b的表面的一部分，并且引入窗301b和排出窗302b的每一个形成为通过热交换模块300b的表面的一部分。
107.冷却介质入口141b和冷却介质出口142b形成在壳体110b的设置有热交换模块300b的部分上，冷却介质通过冷却介质入口141b供应，已经进行了冷却的冷却介质通过冷却介质出口142b排出。冷却介质入口141b和冷却介质出口142b可以形成在壳体110b的侧表面上。
108.壳盖120b分别耦合至壳体110b的相对两端。第二流体入口131b和第二流体出口132b分别形成在壳盖120b上。
109.加湿模块200b和热交换模块300b与上述第一实施方案的相关模块相同，因此，将省略对其的重复描述。此外，流动控制部400b与流动控制部400的不同之处仅在于，流动控制部400b安装在第一流体入口121b中，并且流动控制部400b的功能和构造与流动控制部400基本相同，因此，将省略对其的重复描述。图17示出了流动控制部400b仅包括双金属元件的情况，图18示出了流动控制部400b包括双金属元件410和开/关窗420的情况。
110.其方向被流动控制部400b控制的第一流体通过延伸隔板151b被引导至加湿模块200b或热交换模块300b。
111.被引入到第一流体入口121b中的第一流体的至少一部分通过第一引入窗201b引入到加湿模块200b中，并且其剩余部分通过第二引入窗301b引入到热交换模块300b中。根据燃料电池膜加湿器的运行情况，可以将所有的第一流体引入到加湿模块200b或热交换模块300b中。在这种情况下，交叉隔板152b防止第一流体通过第一流体出口122b直接排出而没有引入到引入窗201b和301b中。
112.引入到加湿模块200b中的第一流体在流动通过加湿模块200b的内部的同时进行水分交换并且引入到热交换模块300b中的第一流体在流动通过热交换模块300b的内部的同时进行热交换之后，第一流体在第一流体出口122b的前方彼此混合，并且混合的流体通过第一流体出口122b排出至燃料电池膜加湿器20b的外部。
113.接下来，将参照图19至图21描述根据本公开的实施方案的燃料电池膜加湿器的运行过程。在各个图中，位于左下方的图示出了流动控制部400b仅包括双金属元件的情况，位于右下方的图示出了流动控制部400b包括双金属元件410和开/关窗420的情况。同时，根据本公开的不同实施方案的燃料电池膜加湿器的运行过程与根据第一实施方案的燃料电池膜加湿器的运行过程基本相同，因此，将省略其重复描述。
114.图19示出了通过仅将第一流体引入到加湿模块200中来仅实现加湿器的功能的一个实例。在图19中，燃料电池堆30的输出可以是高输出，并且第一流体具有相对高的温度。因此，加湿模块200那侧上的具有高热膨胀系数的金属板膨胀得更快，因此，流动控制部400打开加湿模块200那侧的流动路径并且关闭热交换模块300那侧的流动路径。由空气压缩装置10压缩的干燥空气(第一流体)的大部分通过第一侧的壳盖120流入到位于加湿模块200的内部的中空纤维膜中，并且通过第二侧的壳盖120的第一流体出口122排出至膜加湿器的外部。在该过程中，第一流体与通过第二流体入口131引入的第二流体进行水分交换。
115.图20示出了通过仅将第一流体引入到热交换模块300中来仅实现热交换器的功能的一个实例。在图20中，燃料电池堆30的输出可以是低输出，并且第一流体具有相对低的温度。因此，加湿模块200那侧上的具有高热膨胀系数的金属板收缩得更快，因此，流动控制部400打开热交换模块300那侧的流动路径并且关闭加湿模块200那侧的流动路径。由空气压缩装置10压缩的干燥空气(第一流体)的大部分流入到热交换模块300中，并且通过第二侧的壳盖120的第一流体出口122排出至膜加湿器的外部。在该过程中，不进行第一流体与第二流体之间的水分交换，而是仅进行第一流体与冷却介质之间的热交换。在这种情况下，通过控制引入到热交换模块300中的冷却介质的温度和量，可以根据需要控制通过第一流体出口122排出并被引入到燃料电池堆30中的第一流体的温度。
116.图21是将第一流体引入到加湿模块200和热交换模块300中以便分别实现加湿功能和热交换功能的一个实例。图21可以是燃料电池堆30的输出在低输出与高输出之间，并且第一流体的温度在低温与高温之间的情况。因此，构成双金属元件的两种金属的热膨胀系数稍微彼此相似，使得加湿模块200的流路或热交换模块300的流路被部分地打开。由空气压缩装置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，并且其剩余部分流入到热交换模块300中，以便通过第二侧的壳盖120的第一流体出口122排出至膜加湿器的外部。通过加湿模块200的第一流体和通过热交换模块300的第一流体彼此混合，并且混合的流体通过第一流体出口122排出至膜加湿器的外部并被引入到燃料电池堆30中。在这种情况下，通过控制引入到热交换模块300中的冷却介质的温度和量，可以控制混合的第一流体的温度。因此，可以根据需要控制引入到燃料电池堆30中的第一流体的加湿状态和温度。
117.接下来，将参照图22描述具有根据本公开的各个实施方案的燃料电池膜加湿器的燃料电池系统的另一实例。
118.如图22中所示，根据本公开的另一实施方案的燃料电池系统包括：空气压缩装置10、燃料电池膜加湿器20、燃料电池堆30、分流流路l2和分流阀v。
119.第二实施方案的燃料电池系统与上述第一实施方案的燃料电池系统的不同之处仅在于，第二实施方案的燃料电池系统包括分流流路l2和分流阀v，并且第二实施方案的燃料电池系统的其它部件与第一实施方案的燃料电池系统的相关部件相同，因此，将省略空气压缩装置10、燃料电池膜加湿器20和燃料电池堆30的详细描述。
120.该实施方案的燃料电池系统包括分流流路l2，该分流流路l2通过从安装在空气压缩装置10的前方之上一侧的室外空气供应路径l1分支而与热交换模块300的冷却介质入口141连接。控制待分流的室外空气的流量的分流阀v形成在室外空气供应路径l1上。
121.在上面描述的第一实施方案的燃料电池系统中，热交换模块300通过利用从外部
供应的冷却介质来冷却第一流体。在这种情况下，为了供应冷却介质，需要提供单独的冷却介质储存装置，这会限制燃料电池系统的简化和小型化。
122.在该实施方案中，引入到空气压缩装置10中的室外空气的至少一部分通过分流流路l2供应至热交换模块300，以便冷却第一流体。因此，在空气冷却式热交换器的情况下，不需要提供用于供应冷却介质的单独的冷却介质储存装置，因此，可以得到更简化和小型化的燃料电池系统。
123.上文中，尽管已经描述了本公开的实施方案，但是在不脱离在权利要求书中描述的本公开的构思的情况下，相关技术领域的技术人员可以通过加入、改变或删除部件来对本公开的实施方案进行各种修改和改变，并且这些修改和改变的实施方案包括在本公开的权利要求书的范围内。
124.[附图标记说明]
[0125]
10：空气压缩装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20：燃料电池膜加湿器
[0126]
30：燃料电池堆
[0127]
100：壳部
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
110：壳体
[0128]
120：壳盖
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
200：加湿模块
[0129]
300：热交换模块
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
400：流动控制部
[0130]
410：双金属元件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
420：开/关窗
[0131]
l1：室外空气供应路径
ꢀꢀꢀ
l2：分流流路