燃料电池膜增湿器及包括其的燃料电池系统的制作方法

本公开涉及一种燃料电池膜增湿器，其能够根据膜增湿器中的干燥气体压力通过向外部排出干燥气体来调节燃料电池膜增湿器中的干燥气体压力，以及包括该燃料电池膜增湿器的燃料电池系统。

背景技术：

1、燃料电池是一种通过结合氢和氧来产生电的发电电池。与传统的化学电池诸如干电池和蓄电池不同，燃料电池只要供应氢和氧就能持续产生电，而且由于没有热损失，优点是效率约是内燃机的两倍。

2、此外，由于通过氢和氧的结合产生的化学能被直接转化为电能，燃料电池排放更少的污染物。因此，燃料电池不仅具有环境友好的特性，而且还减少了关于因能源消耗增加而导致资源枯竭的担忧。

3、根据所使用的电解质的类型，这些燃料电池大致可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)。

4、尽管这些燃料电池的每一种都基于相同的基本原理来运行，但它们在使用的燃料类型、工作温度、催化剂、电解质、和其他因素上有所不同。其中，聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)，由于其与其他燃料电池相比在低温下的运行以及允许小型化的高功率密度，被认为是不仅在小型固定式发电设备中而且在运输系统中最有前途的燃料电池。

5、在提高聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)的性能中最重要的因素之一是通过向膜电极组件(mea)中的聚合物电解质膜(pem)或质子交换膜供应一定量的水分来保持功能效率。这是因为当聚合物电解质膜干燥时，发电效率迅速降低。

6、对聚合物电解质膜增湿的方法有几种，包括：1)鼓泡器增湿方法，用于通过在用水填充压力容器之后使目标气体通过扩散器来供应水分；2)直接注入方法，用于通过计算燃料电池反应所需的水分供应来经过电磁阀向气体通道直接供应水分；以及3)膜增湿方法，用于使用聚合物分离膜向气体流体层供应水分。

7、这些方法中，通过使用选择性地仅允许废气中包含的水蒸气通过的膜向要供应到聚合物电解质膜的气体供应水蒸气来对聚合物电解质膜增湿的膜增湿方法的优点在于，增湿器能够轻量化以及小型化。

8、在膜增湿方法中使用的选择性渗透膜优选地是当形成模块时具有每单位体积大的渗透面积的中空纤维膜。换言之，当使用中空纤维膜制造增湿器时，具有大的接触表面积的中空纤维膜的高度集成是可能的，因此即使具有小容量也可以足够地对燃料电池增湿，可以使用低成本材料，并且可以回收从燃料电池高温排出的废气中所含的水分和热量并因此通过增湿器再利用回收的水分和热量。

9、图1是显示根据相关技术的燃料电池膜增湿器和包括其的燃料电池系统的视图。

10、如图1中所示，相关技术的燃料电池系统包括鼓风机b，燃料电池膜增湿器10(以下简称为“膜增湿器”)，燃料电池堆s，以及连接上述部件的通道p1、p2、p3和p4。p1为用于将鼓风机b中收集的干燥气体供应给膜增湿器10的干燥气体供应通道，p2为用于将膜增湿器10中增湿的气体供应给燃料电池堆s的增湿气体供应通道。p3为用于将从燃料电池堆s排出的废气供应给膜增湿器10的废气供应通道，p4为用于将交换了水分的废气排出到外部的废气排出通道。

11、膜增湿器10包括：增湿模块11，在其中在从鼓风机b供应的干燥气体和从燃料电池堆s排出的废气(湿气)之间交换水分；以及耦接到增湿模块11的两端的盖12和盖13。

12、干燥气体入口12a形成在鼓风机b侧的盖12中以将从鼓风机b供应的干燥气体供应给增湿模块11，干燥气体出口13a形成在燃料电池堆s侧的盖13中以将由增湿模块11增湿的气体供应给燃料电池堆s。

13、增湿模块11包括具有废气入口11aa和废气出口11ab的中壳11a，以及在中壳11a内的多个中空纤维膜11b。一束中空纤维膜11b的两端固定至灌封件11c。灌封件11c一般由液态聚合物诸如液态聚氨酯树脂通过铸造方法固化而形成。

14、从鼓风机b供应的干燥气体沿中空纤维膜11b的中空流动。经过废气入口11aa引入到中壳11a内的废气接触中空纤维膜11b的外表面，并然后经过废气出口11ab从中壳11a排出。当废气接触中空纤维膜11b的外表面时，废气中所含的水分渗透中空纤维膜11b，以对沿中空纤维膜11b的中空流动的干燥气体增湿。

15、同时，当膜增湿器10正常工作时，引入到干燥气体入口12a内的干燥气体沿中空纤维膜11b的中空流动时被增湿，并经过干燥气体出口13a排出至燃料电池堆s。

16、但是，当膜增湿器10由于各种原因诸如燃料电池堆s异常工作、中空纤维膜11b破损、中空纤维膜11b的通道堵塞等而不能正常工作时，经过干燥气体入口12a引入的干燥气体可能无法经过干燥气体出口13a排出。因此，膜增湿器10中干燥气体的压力可能会增加，并且膜增湿器10可能会因此被损坏。

技术实现思路

1、技术问题

2、本公开的目的是提供一种燃料电池膜增湿器，其能够根据膜增湿器中的干燥气体压力通过向外部排出干燥气体来调节燃料电池膜增湿器中的干燥气体压力，以及一种包括该燃料电池膜增湿器的燃料电池系统。

3、技术方案

4、根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器包括：

5、中壳；盖，其固定至中壳并具有干燥气体排出孔，干燥气体经过该干燥气体排出孔被排出；和压力调节器，其形成在盖中并根据盖中的干燥气体的压力部分地打开干燥气体排出孔以调节盖中的干燥气体的压力。

6、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其在缓冲壳体内前后移动；弹性构件，其形成在开闭构件和缓冲壳体的内壁中并根据盖中的干燥气体的压力而压缩或膨胀；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

7、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，突出物可以形成在缓冲壳体的干燥气体排出孔侧的开口中，以从盖延伸并允许开闭构件被其夹持。

8、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，可以形成从缓冲壳体突出并允许开闭构件被夹持在其上的突出物。

9、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其铰接至干燥气体排出孔的上端并能够旋转；弹性构件，其形成在开闭构件的后面；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

10、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其铰接至干燥气体排出孔的下端并能够旋转；弹性构件，其形成在开闭构件的前面；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

11、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，压力调节器可以包括：可热膨胀的金属，其形成在盖的内壁中并根据盖中干燥气体的温度变化而膨胀；通孔，其形成在可热膨胀的金属中并根据可热膨胀的金属的膨胀部分地打开干燥气体排出孔。

12、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器中，压力调节器可以进一步包括阻塞物，其形成在可热膨胀的金属的端部处并由耐热材料形成。

13、根据本公开的实施方式的燃料电池系统包括：用于供应干燥气体的鼓风机；燃料电池堆；和燃料电池膜增湿器，其包括中壳、固定至中壳并具有经过其排出干燥气体的干燥气体排出孔的盖、和用于调节盖中的干燥气体的压力的压力调节器。

14、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其在缓冲壳体内前后移动；弹性构件，其形成在开闭构件和缓冲壳体的内壁中并根据盖中的干燥气体的压力而压缩或膨胀；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

15、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，可以在缓冲壳体的干燥气体排出孔侧形成从盖延伸形成并允许开闭构件被夹持在其上的突出物。

16、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，可以形成从缓冲壳体突出并允许开闭构件被夹持在其上的突出物。

17、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其铰接至干燥气体排出孔的上端并能够旋转；弹性构件，其形成在开闭构件的后面；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

18、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，压力调节器可以包括：缓冲壳体，其与干燥气体排出孔连通；开闭构件，其铰接至干燥气体排出孔的下端并能够旋转；弹性构件，其形成在开闭构件的前面；和气体出口，其用于将引入到缓冲壳体内的干燥气体排出到外部。

19、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，压力调节器可以包括：可热膨胀的金属，其形成在盖的内壁中并根据盖中干燥气体的温度变化而膨胀；通孔，其形成在可热膨胀的金属中并根据可热膨胀的金属的膨胀部分地打开干燥气体排出孔。

20、在根据本公开的实施方式的燃料电池系统中，压力调节器可以进一步包括阻塞物，其形成在可热膨胀的金属的端部处并由耐热材料形成。

21、根据本公开的各个方面的实施例的其他具体细节包括在以下详细描述中。

22、有益效果

23、在根据本公开的实施方式的燃料电池膜增湿器和包括其的燃料电池系统中，可以根据引入到膜增湿器内的干燥气体的压力通过向外部排出干燥气体来调节膜增湿器中的干燥气体的压力。因此，当膜增湿器由于各种原因不能正常运行时，可以通过调节膜增湿器内的压力防止膜增湿器的损坏。