专利名称：燃料电池加湿器及具有该加湿器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃料电池的燃料电池加湿器，以及配备有这 种燃料电池加湿器的燃料电池系统。
背景技术：
，有一类传统上用于燃料电池的燃料电池加湿器，它在从燃料电池 排出的废气和供至燃料电池的气体(或反应气体)之间通过水蒸汽交 换膜交换水分。这种燃料电池加湿器的一个示例JP-A-6-132038公开了一种包括 水蒸汽渗透膜、加湿气室和由水蒸汽渗透膜限定的被加湿气室的反应 气体加湿器。该反应气体加湿器加湿反应气体，其中，从燃料电池排 出的已反应废气是加湿气体，而待供给到燃料电池的反应气体(或被 供气体)是被加湿气体。另一示例JP-A-2004-165062公开了一种燃料电池加湿器，它由包 括多个中空纤维膜组的阳极加湿器和包括多个中空纤维膜组的阴极加 湿器构成。该燃料电池加湿器配备有一对保持中空纤维膜组两端的顶 盖、用于连接这对顶盖的连接部件和加热顶盖中的被供气体(或反应 气体)出口及顶盖中的被供气体入口的热水蒸馏器。燃料电池，特别是固相聚合物燃料电池的输出性能主要依赖于被 供气体的加湿状态。然而，上述传统燃料电池加湿器的加湿特性容易 受到例如其运行条件和环境的影响。而且，由于负载在燃料电池中变 动，其加湿值能容易地变动。
具体地说，在传统燃料电池加湿器的构造中，加湿单元或燃料电 池加湿器所处位置处的环境温度的变动，以及其它变动，例如由于燃 料电池加湿器中被供气体和废气之间的水交换效率的降低而导致的燃 料电池加湿器中水浓缩引起的气流状态的变动，趋向于容易地出现。 因此，很难维持性能稳定性。因此， 一种不易受内部或外部因素如燃料电池输出程度(levd)影响，且能展示稳定加湿能力的燃料电池加湿器是优选的。在根据旁通阀的开启或关闭使被供气体或废气从旁路通过燃料电 池加湿器的方法中，如果旁通阀以高频开启和关闭，则具有延长的实 际寿命的旁通阀是必需的。而且，存在这种可能性，即由于旁通阀的 开启和关闭动作的功率消耗可能上升并且系统效率可能下降。发明内容鉴于上述情况，设计了本发明。本发明的目的之一是提供一种燃 料电池加湿器，和一种配备有这种燃料电池加湿器的燃料电池系统， 它能够适当地调节加湿值和热交换量，防止加湿特性受环境温度变动 的影响，并且展示出增强的可靠性、稳定性和控制。为达到上述目的，本发明提供一种燃料电池加湿器，它用于通过 将待供给燃料电池的被供气体和从燃料电池排出的废气聚集在一起并经由水交换膜来进行加湿。该燃料电池加湿器包括加湿单元，它包 括水交换膜、设置在水交换膜的一个表面上以使被供气体流过的被供 气体通道，和设置在水交换膜另一个表面上以使废气流过的废气通道；和独立于加湿单元形成的气体流动装置。该气体流动装置包括连接于 被供气体通道或废气通道以使被供气体或者废气流过的气体通道，并 且邻近加湿单元设置。在具有上述构造的燃料电池加湿器中，被供气体或废气流过(或 通过)气体流动装置。因此，在该气体流动装置中，废气和被供气体
之间既不发生水交换，也不发生热交换。因此，如果是废气流经气体 流动装置，温度几乎与燃料电池内部温度相等的废气将被引入到该气 体流动装置。因此，可以热隔离燃料电池加湿器并且防止燃料电池加 湿器的热辐射或周围环境的热吸收。如果是废气流经气体流动装置，并且如果气体利用率是常数，则 流经加湿单元的废气量减少了流经气体通道(或旁路通过加湿单元) 的废气量。因此，相对于加湿单元中的废气量，被供气体量增加，并 且被供气体对废气的相对比能够增加。因此，燃料电池加湿器的水交换功效比(用于通过水交换膜加湿被供气体的水[mol/sec]对废气中的水 [mol/sec]的比)能够增加，即用于加湿被供气体的水对废气中的水的比 能够接近l:l。因此，在加湿单元中，水能够在被供气体和废气之间有 效地交换。因此，防止水浓縮(如果加湿单元中水交换进行得不充分 则可能发生)并且增强燃料电池加湿器的操作稳定性是可能的。同时，如果是被供气体流过气体流动装置，那么温度己经通过例 如由使被供气体流动的泵或者压縮机产生的压縮而升至某一程度的被 供气体流过气体流动装置。因此，这种情况下，可以热隔离燃料电池 加湿器并且防止燃料电池加湿器的热辐射或者周围环境的热吸收。气体流动装置能由气体流动单元构成。该气体流动单元可与至少 加湿单元的被供气体通道或者废气通道并排地设置。而且气体流动单 元可设置在加湿单元的一端或者两端。如果气体流动单元设置在加湿 单元的两端，可以更有效地阻止从加湿单元端部的热辐射。而且在根据本发明的燃料电池加湿器中，多个加湿单元可以彼此 并排地设置，并且气体流动单元可以设置在加湿单元内。除了上述优 点之外，上述布置还能够增强燃料电池加湿器的保温性质并且在加湿 单元中更有效地执行水交换。
而且，气体流动单元可设置在至少与加湿单元并排的排列方向相 垂直的方向上的加湿单元的一端。这种情况下，气体流动单元能够具 有使被供气体或者废气流过的流动口，而且该流动口能够独立于加湿 单元的被供气体入口和被供气体出口设置。如果加湿单元在它们并排 排列方向上被堆叠，则该流动口能够构成气体流动歧管。本发明提供一种燃料电池系统，它包括燃料电池；用于将被供气 体供至燃料电池的供气通道；用于使从燃料电池排出的废气通过的排 气通道；和上述燃料电池加湿器。具有上述结构的燃料电池系统能够热隔离燃料电池加湿器并且防 止燃料电池加湿器的热辐射和周围环境的热吸收。该燃料电池系统还 能够在加湿单元中有效地执行水交换。而且，根据本发明的燃料电池系统能够这样构造，以使排气通道 在燃料电池和燃料电池加湿器之间分支，并且设置用于将废气分流到 支流通道的分流部件。这种情况下，分流部件是，例如阀，并且根据 该阀的开启或关闭，废气能够流入支流通道。该构造允许过多的废气从支流通道处排出。因此，可以根据负载 变化(例如气体流量的变化)来改变引入燃料电池加湿器的废气量， 并且控制燃料电池加湿器中的加湿值。当该情况发生时，由于当阀关 闭时(也就是说，当废气不流进支流通道时)气体流动装置(或气体流 动单元)能够吸收过量废气(或让废气旁路通过加湿单元)，因此能够 降低阀的工作频率。因此，能够延长阀的实际寿命。而且，能够增强 加湿值控制的鲁棒性。当阀开启时，从支流通道排出的废气量和流经 气体流动装置的废气量的总和代表实际旁通量。因此，从支流通道排 出的废气量，即流经阀的废气量能够减少。因此，不必要使用带有大 孔的阀并且可能保存驱动阀所需的能量。 分流部件可以设置在支流通道中，或者设置在排气通道中的一位 置处，该位置位于排气通道分支成支流通道的点的下游。而且，分流 部件可以设置在气体流动通道分支成支流通道的点处。在这种情况下， 分流部件可以是三通阀。由于在根据本发明的燃料电池加湿器气体流动装置中，废气和被 供气体之间既不发生水交换，也不发生热交换，因此可以热隔离燃料 电池加湿器并且防止燃料电池加湿器的热辐射和周围环境的热吸收。 因此，能够防止任何周围温度变化可能对加湿特性的影响。而且，在 加湿单元中能够有效地执行水交换。因此，可以提供具有增强的可靠 性、稳定性和控制的燃料电池加湿器。根据本发明的燃料电池系统能够热隔离燃料电池加湿器，并且防 止燃料电池加湿器的热辐射和周围环境的热吸收。并且，加湿单元中 能够进行高效的水交换。因此，可以提供带有增强可靠性、稳定性和 控制的燃料电池系统。
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池加湿器的剖视图。 图2是属于图1中所示燃料电池加湿器的部分加湿单元的剖视图。 图3是属于图1中所示燃料电池加湿器的部分加湿单元和气体流 动单元的剖视图。图4是图3中所示气体流动单元内表面的平面图。 图5是示出了配备有图1中所示燃料电池加湿器的部分燃料电池 系统的示意图。图6是示出了图1中所示燃料电池加湿器中的被供气体和废气流 动的示意图。图7是根据本发明另一实施例的燃料电池加湿器的剖视图。图8是示出了根据本发明第二实施例的部分燃料电池系统的示意图。
图9是示出了在根据第二实施例的燃料电池系统中，被供空气加 湿值与供给空气温度之间关系的图表。图IO是说明根据第二实施例的用于燃料电池系统的阀控制的流程图。图11是示出了了根据第二实施例，燃料电池系统的阀状态和不通 过加湿单元的排出气体的流量(实际旁通流量)之间的关系的图表。图12是示出了传统燃料电池系统的阀状态和该燃料电池系统中不通过加湿单元的排出气体的流量(实际旁通流量)之间的关系的图表。图13是根据本发明另一实施例的燃料电池加湿器的剖视图。 图14是图13中所示气体流动单元内表面的平面图。 图15是示出了根据本发明又一个实施例的部分燃料电池系统的示 意图。图16是示出了根据本发明另一个实施例的部分燃料电池系统的示 意图。
具体实施方式
参照附图，下面详细描述了根据本发明优选实施例的燃料电池加 湿器及配备有该燃料电池加湿器的燃料电池系统。下面描述的实施例 的目的是为了描述本发明，但是本发明不仅局限于这些实施例。因此， 本发明可以多种方式应用，除非该应用背离本发明的主旨。(第一实施例)图1是根据本发明第一实施例的燃料电池加湿器的剖视图。图2 是属于图1中所示燃料电池加湿器的部分加湿单元的剖视图。图3是 属于图1中所示燃料电池加湿器的部分加湿单元和气体流动单元的剖 视图。图4是图3中所示气体流动单元的内表面的平面图。图5是示 出了配备有图1中所示燃料电池加湿器的部分燃料电池系统的示意图。 图6是示出了图1中所示燃料电池加湿器中被供气体和废气流动的示 意图。
根据第一实施例的燃料电池加湿器1结合到图5中所示的燃料电 池系统中。燃料电池加湿器1连接于被供气体的供应源(图中未示出)， 并且还连接于供应被供气体(被氧化气体和/或燃料气体)的供气通道50和用于排出从燃料电池100喷出的废气的排气通道60。如图1至4所示，燃料电池加湿器l包括由多个并排安装的加 湿单元11构成的加湿单元组10;和沿加湿单元11并排排列方向设置于加湿单元组两端的气体流动单元20。如图2所示，加湿单元ll包括用于使来自燃料电池100 (见图 5)的被供气体流过的供气通道板12;与供气通道板12相对布置、用 于使排自燃料电池100的废气流过的废气通道板13;和插入在供气通道板12和废气通道板13之间的水交换膜14。在供气通道板12的面向水交换膜14的表面上，多个分隔部分15 彼此平行地设置，并且相邻分隔部分15之间保持一定距离。这些分隔 部分15构成了多个供气通道16 (许多平行的槽)。在废气通道板13 的面向水交换膜14的表面上，多个分隔部分17彼此平行地设置，并 且相邻分隔部分17之间保持一定距离。这些分隔部分17构成了多个 废气通道18 (许多平行的槽)。优选地，供气通道板12和废气通道 板13由金属、碳、塑料、树脂、橡胶及类似物制成。水交换膜14用作交换被供气体和废气之间的水分，并且优选可 由离子交换树脂膜，或者多孔膜或类似物组成。如图3中具体所示，气体流动单元20由气体通道板21构成。在 气体通道板21的面向加湿单元11的表面上，多个分隔部分22被彼 此平行地设置，并且相邻分隔部分22之间保持一定距离。这些分隔部 分22构成了多个气体通道23。而且，如图4中所示，在气体流动单元 20中形成有连接于气体通道23的进气口 24，和用于排出已经自进气 口 24引入并且通过气体通道3的气体的出气口 25。气体流动单元20的进气口 24连接于供气通道50或者排气通道 60。因此，或者是被供气体，或者是废气流经气体通道23。第一实施 例设计为使得进气口 24连接于排气通道60 (见图6)并且仅仅废气 流经气体通道23。具体而言，如图6所示，废气从气体流动单元20的进气口 24和 各加湿单元ll的废气入口 (未示出)引入。另一方面，被供气体从属 于各加湿单元11的被供气体进口 (未示出)引入。如上所述，根据第 一实施例，仅仅废气而不是被供气体被引入到气体流动单元20中。这 意味着被供气体不经过气体流动单元20而被引入各加湿单元11中。 另一方面，废气和被供气体都被引入各加湿单元11中，此处被供气体 和废气之间的水分交换通过水交换膜14执行。引入到气体流动单元20的废气流经气体通道23，然后从出气口 25处排出外部。因此，在气体流动单元20中，废气和被供气体之间 既不发生热交换，也不发生水交换。结果，由于温度与燃料电池100 内部温度几乎相等的废气流进气体流动单元20内，因此可能热隔离燃 料电池加湿器I。防止来自燃料电池加湿器1端部的热辐射或者来自周 围环境的热吸收也是可能的。而且，在燃料电池加湿器1中，供至加湿单元11的废气量中减 少了经过气体流动单元20气体通道23的废气量(或旁路通过加湿单 元ll的废气量)。因此，加湿单元11中的被供气体量相对增加，使 得被供气体对废气的相对比增加。因此，在燃料电池加湿器1中，用 于加湿被供气体的水[mol/sec]对废气中水[mol/sec]的比能够接近1 :1。 因此，在加湿单元11中，水分能够在被供气体和废气之间有效地交换。 因此，可能防止加湿单元11中浓縮水的产生并且增强燃料电池加湿器 1的操作稳定性。
而且，在根据第一实施例并构造为使得气体流动单元20设置在加湿单元组10两端的燃料电池加湿器1中，流经气体流动单元20的废气量对总废气量的比值，根据由加湿单元11的不均匀气流分配率引起 的废气流量的增加或减少而变化。因此，燃料电池加湿器1能够自主 地响应于由负载变化引起的废气流量的变化。附带地，根据本发明的燃料电池加湿器1可以设置在氧化剂气体 系统中，以加湿氧化剂气体，或者设置在燃料气体系统中，以加湿燃 料气体。而且，燃料电池加湿器I可设置在氧化剂气体系统和燃料气 体系统两者中，以加湿氧化剂气体和燃料气体两者。第一实施例描述了连接于排气通道60、使得仅仅废气流经气体通 道23的气体流动单元20的进气口 24。然而，本发明不局限于上述 结构，并且燃料电池加湿器1可构造为使得进气口 24连接于供气通道 50，并且仅仅被供气体流经气体通道23。第一实施例还描述了设置在加湿单元组10两端的气体流动单元 20。然而，本发明不局限于上述构造，并且多个气体流动单元20可以 按照期M地并排设置。而且，气体流动单元20的位置不受到特别限制。例如，如图7所示，气体流动单元20可以设置在加湿单元组10 内。参照图7，气体流动单元20位于加湿单元组IO的中间。然而， 气体流动单元20的位置不限于上述示例，并且气体流动单元20和加 湿单元ll可交替设置或者可以每隔一定数目的加湿单元ll插入一个 气体流动单元20，例如，每隔两个或者三个加湿单元11插入一个气 体流动单元20。当气体流动单元20设置于加湿单元组IO中时，气体 流动单元20并不必须设置在加湿单元组IO的两端。如上所述，通过 在加湿单元组10中设置气体流动单元20，燃料电池加湿器1的保温 属性可进一步增强。而且，加湿单元11中的水交换能够更有效地执行。
另外，第一实施例描述了沿加湿单元11并排排列的方向设置于加湿单元组10两端的气体流动单元20。然而，气体流动单元20的位 置不局限于上述示例中的那些位置，并且如图13所示，气体流动单元 20可以在与加湿单元11并排排列方向相垂直的方向，设置在加湿单 元组IO的端部。这种情况下，如图14所示，用于使被供气体或废气 流过的流动口 26可独立于加湿单元II的被供气体进口 24和被供气 体出口 25形成。当加湿单元11堆叠在一起时，独立于加湿单元11 的被供气体进口和被供气体出口形成的流动口 26用作气体流动歧管。(第二实施例)接下来，将参照相关附图描述根据本发明第二实施例的燃料电池 系统。用于第二实施例中的和第一实施例中所说明的元件相同的元件 具有和在第一实施中相同的附图标记，并且省略其任何详细的说明。图8是示出了根据本发明的第二实施例的部分燃料电池系统的示 意图。第二实施例描述了第一实施列中所说明的燃料电池加湿器1设 置于氧化剂气体系统中以加湿氧化剂气体(或空气)的情况。如图8中所示，根据第二实施例的燃料电池系统和根据第一实施 例的燃料电池系统之间的差异是燃料电池100和燃料电池加湿器1之 间的点A (分支点A)，排气通道60在分支点A处分支，并且阀71 设置于支流通道70中。在该燃料电池系统中，温度传感器72设置在供气通道50中在燃 料电池加湿器1上游位置处，以测量通过该处的被供空气(或被供气 体)的温度T 。温度传感器73设置于燃料电池加湿器1处，以测量 燃料电池加湿器1的表面温度Tw。而且，温度传感器74设置在供气 通道50中燃料电池加湿器1下游位置处，以测量从燃料电池加湿器1 排出的被供空气的温度Tu。 同时，温度传感器75设置在排气通道60中燃料电池100下游和 分支点A上游位置处，以测量从燃料电池100喷出的排出空气(或废 气)的温度T^。而且，温度传感器76设置在排气通道60中燃料电池 加湿器1下游位置处，以测量从燃料电池加湿器1喷出的排出空气的温度Te2。另外，用于测量制冷剂温度的温度传感器77设置于燃料电池100 处，以测量制冷剂的温度Te。该燃料电池系统包括控制单元(ECU) 80。该控制单元80接收由 各温度传感器72至77测量的温度，并且根据这些温度控制阀71的开 启与关闭。在具有上述构造的燃料电池系统中，由空气供应源卯提供的被供 空气(或被供气体)通过气体供应通道50被引入到燃料电池加湿器1， 并由燃料电池加湿器1加湿，然后被供至燃料电池100。燃料气体还 从燃料气体系统(未示出)供至燃料电池100。在接收这些气体的燃 料电池IOO中发生电化学反应，并且燃料电池IOO将高温和高湿度的 空气(废气)排至排气通道60。未反应的氢气也被排至燃料气体系统 的排气通道(未示出)。排至排气通道60的高温和高湿度空气被引入到燃料电池加湿器 l中。燃料电池加湿器1执行水交换和热交换，以通过水交换膜14将 水份和热量从排出气体转移到被供气体。然后排出气体从燃料电池加 湿器1喷入排气通道60中。在水交换和热交换中，基于交换水量的增 加，到被供气体的热交换量增加了。换句话说，如图9所示，发现在 从燃料电池加湿器1排出的被供气体的温度Tu与被供空气加湿值W 之间有关联。
参照图9，很明显，加湿值W与温度丁12之间的关系根据被供空 气流量Q1而变化。当引入到燃料电池加湿器1的被供空气的温度Tn、 燃料电池加湿器1的表面温度Thl，和燃料电池100的制冷剂温度Tc 在特定条件下维持常值时，从燃料电池加湿器1喷射的被供空气的温 度丁12是被供空气加湿值W的指示(indicator)。具体而言，上述关系由 下式表示<formula>formula see original document page 15</formula>由于相同原因，已经通过燃料电池加湿器1的排出空气的温度Te2也是被供空气的加湿值w的控制目标值。具体而言，该关系由下式表示<formula>formula see original document page 15</formula>被供空气的加湿值W，和作为加湿值W的控制目标值的温度Tn 或者Te2，通过设置于支流通道70中的阀71的开启与关闭来控制。随 着通过支流通道70 (或旁路通过加湿单元11)的排出空气量增加时， 引入到燃料电池加湿器1各加湿单元11 (或加湿单元组10)并提供 水分和热给被供空气的排出空气的净量减少，同时在排出空气净量减 少的影响下，被供气体的加湿值W成比例地减少。随着排出空气净量 减少，排出空气和被供空气之间的热交换量也成比例地减少。因此， 已经通过燃料电池加湿器1的被供空气的温度Tu ，或者已经通过燃料 电池加湿器1的排出空气的温度TE2，根据通过燃料电池加湿器1的 加湿单元组10的排出空气的净量的减少而减少。由于相同原因，当通 过阀71 (或旁路通过加湿单元11)的排出空气的量减少时，已经通过 燃料电池加湿器1的被供空气的温度TI2或者已经通过燃料电池加湿器1的排出空气的温度Te2增加。阀71可以是可变阀或者开关阀。如果阀71是可变阀，阀71开度 的大小可调节到特定程度，使得为加湿被供空气而由加湿值所要求的 温度TI2或TE2到达控制目标值TIW。因此，获取应旁路通过加湿单元11
并且通过支流通道70的排出空气的量，以及确保请求的被供空气所需 加湿值是可能的。另一方面，如果阀71是开关阀，阀71的开启与关闭被控制，使 得为加湿被供空气而由加湿值所要求的温度TI2或TE2成为控制目标 值或者进入控制目标范围。如果温度Tn用于该控制，那么从图9中可 明显看出当温度T,2处于60'C《Tu《62 'C时，被供空气的加湿值W 对应于0.18~0.22的摩尔比。因此，控制单元(ECU) 80控制阀71， 当温度12达到62°C时开启它，.当温度U氐于60°C时关闭它，使得 与0.18~0.22的摩尔比相对应的加湿值W将应用于被供空气。接下来，通过使用温度Tn的值并且参照图10中的流程图，将更 加详细地描述阀71是可变阀并且阀71开度的大小被控制的情况。首先，燃料电池加湿器1中被供空气所需的加湿值W被输入到控 制单元(ECU) 80中(步骤S101)。当分别由温度传感器72， 73和 77测量的温度T ， Thl和Te以及被供空气流量Q,被输入到控制单元 (ECU) 80(步骤S102)时，控制单元(ECU) 80应用这些值到上述公式1 中，并且决定已经通过燃料电池加湿器1的被供空气的温度T^的控制 目标值1W (S103)。随后，温度传感器74测量已经通过燃料电池加湿器1的被供空 气的温度TI2，然后获取的值(实际测量值)被输入到控制单元(ECU) 80 (步骤S104)。控制单元(ECU) 80比较控制目标值Tw与温度TI2 (步骤S10"。如 果温度Tf2低于控制目标值Tw (步骤S105:是)，则控制单元(ECU) 80控制阀71，减少阀71的开度(步骤S106)。控制单元(ECU)80然 后判断温度Tu是否与控制目标值Tw相同(步骤S107)。如果温度 T2与控制目标值T,w相同(步骤S107:是)，则控制单元(ECU) 80维持 阀71的开度(步骤S108)。另一方面，如果温度T,2与控制目标值TfW 不相同，处理程序则返回到步骤S105(步骤S107:否)。如果在步骤S105中温度Tu高于控制目标值T,w(步骤S105:否)， 控制单元(ECU) 80则控制阀71，增加阀71的开度(步骤S109)。控 制单元(ECU) SO然后判断温度Tu是否与控制目标值Ttw相同(步骤 S107)。如果温度T,2与控制目标值Tw相同(步骤S107:是)，控制单 元(ECU)则维持阀71的开度(步骤S108)。另一方面，如果温度TI2 与控制目标值Tw不相同，处理程序则返回到步骤S105 (步骤S107: 否)。 '如果阀71是开关阀，控制单元(ECU) 80则判断温度TI2是否在控 制目标值Tw的上下限范围内，或者温度T,2是否己经超过了控制目标 值T,w的上限。如果温度T2在控制目标值Tnv的上下限范围内，控制 单元(ECU) 80则控制阀71，关闭它。如果温度丁12已经超过了控制目 标值T^的上限，控制单元(ECU)80则控制阀71，开启它。在根据第二实施例的燃料电池系统中，燃料电池加湿器1和设置 于支流通道70中的阀71控制待引入到各加湿单元11 (或加湿单元组 10)中的排出气体的量。燃料电池加湿器1中的气体流动单元20就像 常开的旁路通道。因此，如图ll中所示，设置了阀71的关闭状态(或 OFF状态)，使得排出空气将以最大流量(满载状态)被供至燃料电 池加湿器1。因此，可采用低排出空气流量下使用阀71的操作模式。 因此，燃料电池加湿器1的操作稳定性、水交换效率和热交换效率能 被增强。另一方面，如果使用传统的没有气体流动单元20的燃料电池加 湿器来代替燃料电池加湿器1，那么被供空气的加湿值仅仅通过阀71 的开启和关闭来控制。如果这样，如图12所示，更广范围的提供到燃 料电池100的供气量或者根据负载级别的所需加湿值能被应用。为了
响应整个范围的所需加湿值，通过支流通道70的排出空气的流量在数个NL/min到数十个NL/min之间的范围内。因此，需要带有大孔的阀 和更大的阀驱动力，并且存在当排出空气流量低时，响应性或者可控 性降低的可能性。还存在由于排出空气流量波动而导致压力波动增加， 从而不利地影响诸如鼓风机的辅助机器的可能性。第二实施例描述了由公式1所决定的、已通过燃料电池加湿器1 的被供空气的温度Tt2的控制目标值Tnv。然而，不限于该示例，这种 情况也是可能的该情况下，指示控制目标值Tw—定范围的控制目标 范围可被确定，并且温度丁12 (实际测量值)是否在控制目标范围内被 判断。而且，根据第二实施例，这种情况也是可能的该情况下，控制 目标值TEw或者已经通过燃料电池加湿器1的排出空气的控制目标范 围可根据上述公式2确定，并且温度Te2 (实际测量值)是否与控制目标值TEW相同或是否在控制目标范围内被判断。根据本发明的燃料电池加湿器1和阀71可设置在氧化剂气体系统 或者燃料气体系统中，或者设置在氧化剂气体系统和燃料气体系统两 者中。而且，第二实施例描述了设置在支流通道70中的阀71。然而， 阀71的位置不局限于上述示例中的位置，并且阀71可如图15所示设 置在排气通道60中分支点A下游处的位置。而且，如图16所示三通 阀可设置在分支点A处。
权利要求
1.一种燃料电池加湿器，用于通过将供给燃料电池的被供气体和从燃料电池排出的废气聚集在一起并经由水交换膜来进行加湿，该燃料电池加湿器包括加湿单元，它包括所述水交换膜，设置于所述水交换膜的一个表面上以使所述被供气体流过的被供气体通道，和设置于所述水交换膜另一表面上以使所述废气流过的废气通道；以及独立于所述加湿单元形成的气体流动装置，它包括连接于所述被供气体通道或所述废气通道以使所述被供气体或者所述废气流过的气体通道，并且邻近所述加湿单元设置。
2. 如权利要求1所述的燃料电池加湿器，其中所述气体流动装置是气体流动单元。
3. 如权利要求2所述的燃料电池加湿器，其中所述气体流动单元 与至少所述加湿单元的所述被供气体通道或者所述废气通道并排地设 置。
4. 如权利要求3所述的燃料电池加湿器，其中所述气体流动单元 至少设置于所述加湿单元的一端。
5. 如权利要求2至4中任一项所述的燃料电池加湿器，其中多个 加湿单元彼此并排设置并且所述气体流动单元设置在所述加湿单元 内。
6. 如权利要求2至5中任一项所述的燃料电池加湿器，其中所述 气体流动单元设置在至少与所述加湿单元的并排排列方向相垂直的方向上的所述加湿单元的一端。
7. 如权利要求6所述的燃料电池加湿器，其中所述气体流动单元具有使所述被供气体或所述废气流过的流动口，该流动口独立于属于 所述加湿单元的被供气体入口和被供气体出口设置。
8. 如权利要求7所述的燃料电池加湿器，其中所述加湿单元在其 并排排列的方向上堆叠在一起，并且所述流动口构成气体流动歧管。
9. 一种燃料电池系统，包括 燃料电池；用于将被供气体供至所述燃料电池的供气通道； 使从所述燃料电池排出的废气流过的排气通道；和 如权利要求1至8中任一项所述的燃料电池加湿器。
10. 如权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述排气通道在所 述燃料电池和所述燃料电池加湿器之间分支，并且设置用于将所述废 气分流到支流通道的分流部件。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池系统，其中所述分流部件是阀， 并且所述废气根据该阀的开启和关闭流过所述支流通道。
12. 如权利要求10或11所述的燃料电池系统，其中所述分流部 件设置于所述支流通道中。
13. 如权利要求10或11所述的燃料电池系统，其中所述分流部 件设置在所述排气通道中的一位置处，该位置位于所述排气通道分支 成所述支流通道的点的下游。
14. 如权利要求10或11所述的燃料电池系统，其中所述支流部 件设置在所述排气通道分支为支流通道的点处，并且所述分流部件是 三通阀。
全文摘要
一种燃料电池加湿器，用于通过将待供给燃料电池(100)的被供气体和从燃料电池(100)排出的废气聚集在一起并经由水交换膜14来进行加湿。该燃料电池加湿器包括加湿单元(11)，它具有使被供气体流过的被供气体通道(16)、使废气流过的废气通道(18)，和水交换膜(14)；和使燃料气体或者废气流过的气体流动单元(20)。本发明提供一种燃料电池加湿器和配备有该燃料电池加湿器的燃料电池系统，它能够适当地调整加湿值和热交换量，防止加湿特性受环境温度变化影响，并且展示出增强的可靠性、稳定性和控制。
文档编号H01M8/04GK101156273SQ200680011019
公开日2008年4月2日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年3月31日
发明者曾一新 申请人:丰田自动车株式会社