用于燃料電池的膜加濕器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于燃料電池的膜加濕器。膜加濕器，包括各自置于設置在膜加濕器的殼體中的多個相鄰的中空纖維膜中相鄰的中空纖維膜之間的緩沖和間隔結構，其中該緩沖和間隔結構緩沖供應自送風機的空氣的壓力，并且維持相鄰的中空纖維膜之間的間隔。
【專利說明】
用于燃料電池的膜加濕器
技術領域
[0001]本公開涉及用于燃料電池的膜加濕器。更具體地，其涉及用于燃料電池的膜加濕器，其中用于緩沖和間隔多個中空纖維膜的結構各自置于中空纖維膜的相鄰的中空纖維膜之間，以間隔相鄰的中空纖維膜。
【背景技術】
[0002]通常，燃料電池(fuelcell)中電解質膜的加濕對于燃料電池的運作是重要的。為此使用加濕裝置。這種加濕裝置工作使得從大氣供應至燃料電池的干燥氣體與從燃料電池排放的濕潤氣體交換濕氣。
[0003]存在各種加濕裝置的類型，例如，超聲加濕裝置、蒸汽加濕裝置、汽化加濕裝置等。然而，已將使用中空纖維膜的膜加濕器用作對燃料電池有用的適當加濕裝置。
[0004]為此，本
【申請人】提出了如在授權為韓國專利注冊號10-1382672(2014年4月I日)的專利申請中公開的燃料電池膜組件制造方法。在此方法中，通過采用新型中空纖維膜組件結構，其中將少量中空纖維膜設置在組件的中心部分，并且向組件的外圍部分逐漸增加設置中空纖維膜的數(shù)量，制備用在燃料電池的膜加濕器中的膜組件。因而，貫穿整個中空纖維膜獲得均勻的加濕性能，因為可以使從送風機引入的干燥空氣向設置了增加數(shù)量的中空纖維膜的組件的外圍部分分布。
[0005]然而，上述注冊專利具有以下缺點。
[0006]首先，在其中引入加濕器的空氣壓力較高的變壓系統(tǒng)中，可能存在傾斜現(xiàn)象，其中設置在膜加濕器中的中空纖維膜向一側傾斜或可能存在中空纖維膜破損的風險。在這種情況下，加濕效率會嚴重下降。
[0007]第二，在用于中空纖維膜的分散排列的灌封工藝(pottingprocess)中，中空纖維膜可能扭曲。
[0008]第三，雖然可以通過中空纖維膜的分散排列確保用于維持相鄰中空纖維膜之間間隔的空間，但存在不必要的空間增加的缺點。

【發(fā)明內容】

[0009]本公開以及致力于解決與現(xiàn)有技術相關的上述問題。
[0010]本公開涉及用于燃料電池的膜加濕器，其中將用于緩沖和間隔膜加濕器中的多個中空纖維膜的分隔結構各自置于中空纖維膜的相鄰的中空纖維膜之間，不僅緩沖暴露于高壓空氣的中空纖維膜，還在相鄰的中空纖維膜之間維持期望的間隔，并且因而在相鄰的中空纖維膜之間順暢地供應濕空氣，并且使干燥空氣均勻分布在中空纖維膜中，從而達到增強的加濕性能。
[0011]在一個方面中，本公開提供的膜加濕器包括各自置于設置在膜加濕器的殼體中的多個中空纖維膜中相鄰的中空纖維膜之間的緩沖和間隔結構，不僅緩沖供應自送風機的空氣的壓力，還維持相鄰的中空纖維膜之間的間隔。
[0012]在優(yōu)選實施方式中，所述緩沖和間隔結構可以設置成使得最大數(shù)量的緩沖和間隔結構設置在中心部分，并且向外圍部分設置逐漸減少數(shù)量的緩沖和間隔結構。
[0013]在另一優(yōu)選的實施方式中，緩沖和間隔結構可以由親水材料制成。
[0014]在又一優(yōu)選的實施方式中，緩沖和間隔結構可以具有比中空纖維膜更大的直徑以及與中空纖維膜長度相等的長度。
[0015]在又一優(yōu)選的實施方式中，緩沖和間隔結構可以具有選自以下的形狀:筆直形狀、之字形狀(zig-zag shape)、突起/凹槽形狀(protrus1n/groove shape)、螺旋彈簧形狀、折線形狀(crimp shape)，以及網(wǎng)眼卷形狀(mesh roll shape)。
[0016]在又一優(yōu)選的實施方式中，可以將緩沖和間隔結構的相對兩端與中空纖維膜的相對兩端使用灌封材料灌封在一起。
[0017]在進一步優(yōu)選的實施方式中，可以在在緩沖和間隔結構的徑向上，在各緩沖和間隔結構上形成濕空氣導孔或槽。
[0018]在下文中討論本公開的其它方面和優(yōu)選實施方式。
[0019]應理解的是，如在本文中使用的術語“車輛(vehicle)”或“車輛的(vehicular)”或其他類似術語通常包括機動車輛，諸如載客汽車，包括運動型多用途車輛(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車，船舶，包括各種舟(boat)和輪船(ship)，飛機等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電混合動力車輛、氫動力車輛和其它替代燃料車輛(例如，源自石油以外的資源的燃料)。在本文中涉及的混合動力車輛是具有兩個或多個動力源的車輛，例如，汽油動力和電動車輛。
[0020]在下文中討論本公開的上述內容和其它特征。
【附圖說明】
[0021]現(xiàn)在將參照在附圖中闡明的一些示例性實施方式詳細地描述本公開的上述和其它特征，其中下文中的附圖僅以舉例說明的方式給出，因此不是對本公開的限制，其中:
[0022]圖1是示出燃料電池系統(tǒng)中供氣系統(tǒng)構造的示圖；
[0023]圖2是簡要地示出用于燃料電池的常規(guī)膜加濕器的構造的剖視圖；
[0024]圖3是示出根據(jù)本公開的實施方式的膜加濕器的截面圖；
[0025]圖4是示出根據(jù)本公開另一實施方式的用于燃料電池的膜加濕器的截面圖；
[0026]圖5是簡要地示出根據(jù)相關技術和本公開的用于燃料電池的膜加濕器的垂直剖視圖(A:相關技術;B:本發(fā)明)；
[0027]圖6A至圖6E是示出用于緩沖和間隔根據(jù)本公開的膜加濕器中的中空纖維膜的結構的實施方式的視圖；并且
[0028]圖7是示出用于根據(jù)本公開的膜加濕器的灌封方法的視圖。
[0029]應理解，附圖不一定是按比例的，其呈現(xiàn)出說明本公開基本原理的各種優(yōu)選特征的某種程度上的簡化表達。如本文披露的本公開的特定設計特征，其包括，例如，特定尺寸、方向、位置和形狀，將部分地由具體的預期應用和使用環(huán)境確定。
[0030]在圖中，所有附圖的幾個圖的附圖標號指本公開的相同或等效部件。
【具體實施方式】
[0031]下文中，將詳細地參照本公開的各種實施方式，其中的實例在附圖闡明并在下文描述。盡管將結合示例性實施方式描述本公開，但應該理解，本說明書并非旨在將本公開限制于那些示例性實施方式中。相反地，本公開不僅旨在涵蓋示例性實施方式，而且還涵蓋各種替代、修改、等同物和其他實施方式，其可包括在如隨附權利要求限定的本公開的精神和范圍內。
[0032]為了更好地理解本公開，將描述用于燃料電池的膜加濕器的配置與運作。
[0033]圖1示出了燃料電池系統(tǒng)的供氣系統(tǒng)。圖2示出了包括在該供氣系統(tǒng)中的常規(guī)膜加濕器的配置。
[0034]所述燃料電池系統(tǒng)可以包括用于將燃料(氫氣)供應至燃料電池電堆(fuelcellstack)的燃料供應系統(tǒng)，用于將包含在空氣中的氧氣作為電化學反應所需的氧化劑供應至燃料電池電堆的供氣系統(tǒng)，用于控制燃料電池電堆的工作溫度的熱量和水管理系統(tǒng)，以及用于基本上使用氫氣和空氣產(chǎn)生電能的的燃料電池電堆。
[0035]因此，隨著氫氣由燃料供應系統(tǒng)供應至燃料電池電堆的陽極，并且氧氣由供氣系統(tǒng)供應至燃料電池電堆的陰極，在陽極發(fā)生氫氣的氧化，并且因而產(chǎn)生氫離子(質子)和電子。產(chǎn)生的質子和電子通過電解質膜和隔板(separat1n plate)移動至陰極。在陰極，由從陽極移動的質子和電子以及供應的氧氣產(chǎn)生電化學反應，并且因而生成水，并且通過電子的流動產(chǎn)生電能。
[0036]如圖1中所示，供氣系統(tǒng)可以包括膜加濕器100和送風機202，以將加濕的空氣(氧氣)供應至燃料電池電堆(燃料電池組)200。
[0037]因此，依照送風機202的抽吸運行將環(huán)境干燥空氣供應至膜加濕器100的中空纖維膜。同時，在反應之后從燃料電池電堆200排出的排放氣體(濕空氣)穿過膜加濕器100，并且因而包含在排放氣體中的濕氣穿透中空纖維膜，從而加濕干燥空氣。
[0038]參考圖2，傳統(tǒng)的膜加濕器100包括:殼體101，在其一端形成有供應口102，干燥空氣由送風機202引入其中，同時在其另一端形成有排出口 103，加濕的空氣由其排出。依照常用的灌封工藝將包括多個密集的中空纖維模106的中空纖維膜束容納在殼體101中。
[0039]在殼體101的外圍部分的一側形成進口104，用于引入從燃料電池電堆排出的濕空氣。同時在所述殼體101的外圍部分的相對側形成出口 105，用于排出依照去除來自引入的濕空氣的濕氣而產(chǎn)生的空氣。
[0040]因此，當排放氣體在反應之后排出燃料電池電堆，也就是濕空氣由殼體101的進口104供應至中空纖維膜106時，依照各中空纖維膜106的毛細作用，濕空氣的濕氣與濕空氣分離。分離的濕氣凝結同時滲透中空纖維膜106的毛細管，并且因而移動通過中空纖維膜106的內部。
[0041]接著，依照由濕空氣分離濕氣產(chǎn)生的空氣在沿中空纖維膜106的外側移動后，直接通過殼體101的出口 105排出。
[0042]同時，依照送風機202的驅動，將環(huán)境空氣(干燥空氣)通過殼體101的供應口102供應。通過供應口 102供應的干燥空氣移動通過中空纖維膜的內部。此時，從濕空氣分離的濕氣已經(jīng)移動至中空纖維膜106的內部，并且因而該干燥空氣由濕氣加濕。將加濕的空氣通過排出口 103供應至燃料電池電堆的陰極。
[0043]然而，中空纖維膜束具有多個中空纖維膜106的密集結構，并且因而對于通過進口104引入的濕空氣穿入中空纖維膜束的內部是困難的。此外，由于濕空氣通過中空纖維膜106擴散的擴散速率非常低，濕空氣穿入中空纖維膜106的內部具有很多困難。
[0044]具體地，在殼體101內部，穿過中空纖維膜106的束的外側的濕空氣主要沿設置在中空纖維膜束外圍部分的中空纖維膜106流動而沒有順暢地穿入中空纖維膜束的中心部分。結果是，干燥空氣加濕效率下降。
[0045]在下文中將描述根據(jù)本公開的用于燃料電池的膜加濕器的構造。
[0046]圖3是示出根據(jù)本公開的實施方式的用于燃料電池的膜加濕器的截面圖。圖4是示出根據(jù)本公開的另一實施方式的用于燃料電池的膜加濕器的截面圖。
[0047]如圖3和4中所示，膜加濕器100可以包括外殼101，在其一端形成有供應口 102，干燥空氣由送風機引入其中，同時在其另一端形成有排出口 103，加濕的空氣由其排出。包括多個密集的中空纖維模106的中空纖維膜束容納在殼體101中。
[0048]在殼體101的外圍部分的一側形成進口104，用于引入從燃料電池電堆排出的濕空氣。同時在殼體101的外圍部分的相對側形成出口 105，用于排出依照去除來自引入的濕空氣的濕氣而產(chǎn)生的空氣。
[0049]本公開特征在于，用于緩沖和間隔中空纖維膜的結構110各自置于設置在殼體101中的多個中空纖維膜106中相鄰的中空纖維膜106之間。
[0050]依照在圖3中示出的本公開的實施方式，用于緩沖和間隔中空纖維膜的直結構110，其具有比各中空纖維膜106更大的直徑，同時具有與各中空纖維膜106相同的長度，各自置于相鄰的中空纖維膜106之間。
[0051]可替換地，依照在圖4中示出的本公開的實施方式，用于緩沖和間隔中空纖維膜的折線形狀結構110，其具有比各中空纖維膜106的直徑更大的垂直寬度，同時具有與各中空纖維膜106相同的長度，各自置于相鄰的中空纖維膜106之間。
[0052]另外，如圖6A-6E中所示，各自置于相鄰的中空纖維膜106之間的緩沖和間隔結構110可以具有選自以下的形狀:除了筆直形狀(圖6A)，還有之字形狀(圖6B)、突起/凹槽形狀(圖6C)、螺旋彈簧形狀(圖6D)，以及圓柱網(wǎng)眼卷形狀(圖6E)。
[0053]如上所述，可以具有各種形狀的緩沖和間隔結構110各自置于中空纖維膜106束中相鄰的中空纖維膜106之間，并且因而，不僅起緩沖和支撐相鄰的中空纖維膜106，以防止相鄰的中空纖維膜106被來自送風機供應的空氣的壓力彎曲或斷裂的作用，并且還起維持相鄰的中空纖維膜106之間的所需間隔，以為濕空氣形成流動通道的作用。
[0054]優(yōu)選地，如圖5中所示，緩沖和間隔結構110設置成使得最大數(shù)量的緩沖和間隔結構110密集地設置在中空纖維膜束的中心部分，并向中空纖維膜束的外圍部分設置逐漸減少緩沖和間隔結構110的數(shù)量。這是因為在反應之后從燃料電池電堆排放的濕空氣在供應至中空纖維膜束的外圍部分后，不能順暢地穿透中空纖維膜束的中心部分。
[0055]依照這樣的緩沖器緩沖和間隔結構110的設置，設置在中空纖維膜束的中心部分的中空纖維膜106彼此分隔開來預定距離，用于為濕空氣形成流動通道。因此，在反應之后從燃料電池電堆排放的濕空氣在供應至中空纖維膜束的外圍部分后，可以順暢地穿透中空纖維膜束的中心部分。
[0056]同時，當緩沖和間隔結構110是由親水材料(例如，與中空纖維膜相同的材料)制成時，可以更容易地將濕空氣的濕氣傳輸至與各結構110相鄰的中空纖維膜106，同時在結構110上形成露珠。因此，可以進一步增強對干燥空氣的中空纖維膜的加濕效果。
[0057]當上述緩沖和間隔結構110各自置于相鄰的中空纖維膜106之間時，可能在為濕空氣確保更大的流動通道中有局限性，即，相鄰中空纖維膜106之間更大的空間，因為在各結構110和相鄰所述結構110設置的各中空纖維膜106之間存在表面接觸面積。
[0058]考慮到這種局限性，在結構110的徑向上，在各結構110上另外形成濕空氣導孔或槽112，并且因而，可以減少結構110與各相應的中空纖維膜106之間的表面接觸區(qū)域。因此，當將濕空氣引導至相鄰中空纖維膜106之間的空間時，濕空氣接觸中空纖維膜的面積增加，并且因而可以進一步增強中空纖維膜對干燥空氣的加濕效果。
[0059]同時，可以通過在灌封中空纖維膜106時，使用灌封材料，將結構110與中空纖維膜106—同灌封，實現(xiàn)中空纖維膜106之間的緩沖和間隔結構110的固定。
[0060]即是，如圖7中所示，將緩沖和間隔結構110各自設置在成束中空纖維膜106中相鄰的中空纖維膜106之間所需位置上，并且然后通過灌封材料108，也就是聚合物模塑樹脂，在使用離心力的灌封裝置中灌封各結構110的相對兩端和各中空纖維膜106的相對兩端。因此，容易地將中空纖維膜106和結構110固定在其中各結構110置于相鄰的中空纖維膜106之間的狀態(tài)下。
[0061 ]在下文中將描述根據(jù)本公開的膜加濕器的加濕運作。
[0062]隨著氫氣供應至燃料電池電堆的陽極，并且同時，氧氣由供氣系統(tǒng)供應至燃料電池電堆的陰極，在陽極發(fā)生氫氣的氧化，并且從而產(chǎn)生氫離子(質子)和電子。產(chǎn)生的質子和電子通過電解質膜和隔板移動至陰極。在陰極，由從陽極移動的質子和電子以及供應的氧氣產(chǎn)生電化學反應，并且因而生成水，并且同時通過電子的流動產(chǎn)生電能。
[0063]在上述燃料電池電堆中的反應之后，將排放氣體排出電堆。該排放氣體是濕空氣。
[0064]因此，當在反應之后從燃料電池電堆排出的排放氣體，也就是濕空氣，首先從殼體101的進口 104供應至中空纖維膜束的外圍部分的中空纖維膜106時，濕空氣可以順暢地穿透不僅是外圍部分中空纖維膜106，還有中空纖維膜束的中心部分的中空纖維膜106，因為中空纖維膜束的中心部分的中空纖維膜106是由通過用于為濕空氣形成流動通道的緩沖和間隔結構110預定的距離，均勻遠離彼此間隔。
[0065]同時，緩沖和間隔結構110是由親水材料(例如，與中空纖維膜相同的材料)制成的，并且因而可以更容易地將濕空氣的濕氣傳輸至與各結構110相鄰的中空纖維膜106，同時在結構110上形成露珠。
[0066]此外，通過在結構110的徑向上形成在各結構110上的濕空氣導孔或槽112，濕空氣可以更容易地穿透各中空纖維膜106。
[0067]因各中空纖維膜106的毛細作用如上所述的穿透的濕空氣的濕氣與濕空氣分離。分離的濕氣凝結同時滲透中空纖維膜106的毛細管，并且因而移動通過中空纖維膜106的內部。
[0068]同時，借助于送風機202的驅動，將環(huán)境空氣(干燥空氣)通過殼體101的供應口102供應。通過供應口 102供應的干燥空氣移動通過中空纖維膜的內部。此時，從濕空氣分離的濕氣已經(jīng)移動至中空纖維膜106的內部，并且因而該干燥空氣由濕氣加濕。將加濕的空氣通過排出口 103供應至燃料電池電堆的陰極。
[0069]同時，依照由濕空氣分離濕氣產(chǎn)生的空氣沿中空纖維膜106的外側移動，以直接通過殼體101的出口 105排放至外部。
[0070]因此，濕空氣可以更容易地穿透相鄰的中空膜106之間，因為通過緩沖和間隔結構110，該結構110由親水材料制成，以及在結構110的徑向上形成在各結構110上的濕空氣導孔或槽112，可以容易地確保中空纖維膜106之間(特別是，中心部分中空纖維膜106之間)的空間，也就是濕空氣的流動通道。結果是，與常規(guī)的實施方式相比，可以進一步增強膜加濕器的加濕效率。
[0071]同時，在其中由送風機202引入加濕器的空氣壓力較高的變壓系統(tǒng)中，可能存在傾斜現(xiàn)象(leaning phenomenon)，其中設置在膜加濕器中的中空纖維膜向一側傾斜或可能出現(xiàn)中空纖維膜破損的風險。然而，根據(jù)本公開，即使當將高壓的空氣施加于中空纖維膜106，也可以防止其中中空纖維膜106向一側傾斜或斷裂的現(xiàn)象，因為緩沖和間隔結構110支撐并緩沖中空纖維膜106。
[0072]如由以上描述可見的，本公開提供以下效果。
[0073]第一，當依照變壓系統(tǒng)的使用，其中從送風機引入加濕器的空氣壓力較高，將高壓空氣施加于中空纖維膜時，通過各自設置在相鄰中空纖維膜之間的用于緩沖和間隔中空纖維膜的結構的支撐和緩沖功能，可以防止其中中空纖維膜向一側傾斜或斷裂的現(xiàn)象。
[0074]第二，由于中空纖維膜由通過用于緩沖和間隔中空纖維膜的結構彼此隔開預定距離，可以在相鄰的中空纖維膜之順暢地供應濕空氣，并且將干燥空氣均勻地分配入中空纖維膜的內部。因此，可以實現(xiàn)加濕性能的增強。
[0075]第三，由于在使用灌封材料灌封中空纖維膜的相對兩端時，將用于緩沖和間隔中空纖維膜的結構與中空纖維膜一同灌封，通過結構的支撐和緩沖作用，在灌封工藝期間可以防止其中中空纖維膜扭曲的現(xiàn)象。
[0076]第四，因為用于緩沖和間隔中空纖維膜的結構是由親水材料制成的，并且在結構的徑向上在各結構上形成了濕空氣導孔或槽，濕空氣可以更順暢地在相鄰的中空纖維膜之間流動。因此，可以進一步增強加濕性能。
[0077]已參照其優(yōu)選實施方式詳細地描述了本公開。然而，本領域技術人員應理解，可在不偏離本公開的原理和精神(其范圍限定在隨附權利要求及其等同物中)的情況下，對這些實施方式做出改變。
【主權項】
1.一種膜加濕器，包括: 緩沖和間隔結構，各自置于設置在所述膜加濕器的殼體中的多個中空纖維膜的相鄰的中空纖維膜之間， 其中，所述緩沖和間隔結構緩沖從送風機供應的空氣的壓力，并且維持所述相鄰的中空纖維膜之間的間隔。2.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，所述緩沖和間隔結構設置成使得最大數(shù)量的緩沖和間隔結構設置在中心部分，并且朝向外圍部分設置逐漸減少數(shù)量的緩沖和間隔結構。3.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，所述緩沖和間隔結構包含親水材料。4.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，所述緩沖和間隔結構具有比所述中空纖維膜更大的直徑以及與所述中空纖維膜長度相等的長度。5.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，所述緩沖和間隔結構具有選自包括以下的組的形狀:筆直形狀、之字形狀、突起/凹槽形狀、螺旋彈簧形狀、折線形狀，以及網(wǎng)眼卷形狀。6.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，所述緩沖和間隔結構的相對兩端與所述中空纖維膜的相對兩端使用灌封材料灌封在一起。7.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，在所述緩沖和間隔結構的徑向上，在各所述緩沖和間隔結構上形成有濕空氣引導孔。8.根據(jù)權利要求1所述的膜加濕器，其中，在所述緩沖和間隔結構的徑向上，在各所述緩沖和間隔結構上形成有濕空氣槽。
【文檔編號】F24F6/00GK106099142SQ201510952659
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2015年12月17日
【發(fā)明人】具珍祐, 金賢裕
【申請人】現(xiàn)代自動車株式會社