CN103165919A - 制造燃料电池用膜组件的方法和装置及由此制造的膜组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了制造用于膜增湿器中的膜组件的方法和装置，该膜增湿器用于使聚合物燃料电池中的空气增湿，其中，基于灌封帽的设计，在膜组件的中心布置有小数量的中空纤维膜并且朝向边缘布置有较大数量的中空纤维膜。从鼓风机引入到膜中的干空气可以分布至布置有较大数量的中空纤维膜的边缘，从而在整体中空纤维膜中保持均匀的增湿性能。

Description

制造燃料电池用膜组件的方法和装置及由此制造的膜组件

技术领域

本发明涉及制造燃料电池用膜组件的方法和装置。更具体地，本发明涉及制造适用于膜增湿器中的膜组件的方法和装置，该膜增湿器使聚合物燃料电池中的空气增湿。

背景技术

聚合物燃料电池的运行通常需要水。使供应至燃料电池的空气增湿的膜增湿器通常用于该目的。

尽管存在各种类型的膜增湿器，例如起泡式（bubbler）增湿器、注射式增湿器、吸收式增湿器等，但因燃料电池车辆中的一些空间限制，在燃料电池车辆中使用具有相对小体积的膜增湿器。除了几乎不占空间之外，膜增湿器还因为它们不需要特殊动力而特别地有优势。

如图1所示，用于燃料电池的膜增湿器通常包括膜组件10、外壳11、和歧管12。

膜集中在膜组件10中，并且，例如多束中空纤维膜可以集中在膜组件10中。

通常通过以下工艺制造膜组件。

如图2所示，在制造壳体13之后，将灌封帽（potting cap）14覆盖在壳体13的一侧，并且将期望数目束的中空纤维膜15置于壳体13中。

然后，将聚合物材料16注入到壳体13的两端中，以将多束中空纤维膜固定在壳体13中。

该工艺称作灌封工艺。

在灌封工艺中，主要使用氨基甲酸酯材料作为聚合物材料。

灌封工艺利用重力固定该多束膜15，使得经由树脂孔注射到壳体中的聚合物材料16通过重力透过膜。

在灌封工艺之后，将聚合物材料干燥，并且使用切割装置切割灌封部分，从而获得期望的膜组件。

最终，在将外壳11置于膜组件10的两侧时，用于燃料电池的膜增湿器的制造得以完成。

典型的现有技术增湿器是一个大组件，其中收纳有多束中空纤维膜。

然而，使用这种增湿器，由于多束中空纤维膜收容在一个大的组件中，在制造组件的过程中，中空纤维膜分布不均匀，而是集中在一侧（参见图3）。

图4是显示典型的膜增湿器的构造的示意图。

如图4所示，膜增湿器具有外壳11，该外壳11设置有用于引入干燥空气的第一进口17和用于排出湿化空气的第一出口18，并且膜组件10布置在外壳11中。

而且，在膜组件10中容纳有多个中空纤维膜15。

在使用中空纤维膜的膜增湿器中，湿空气从第二进口19供应并通过各个中空纤维膜15的外部。然后，湿空气中的水分通过中空纤维膜15的毛细管作用分离，并且分离的水分通过中空纤维膜15的毛细管并且凝结。然后水分移动到中空纤维膜15的内部。

水分从其中分离的湿空气移动到中空纤维膜15的外部，然后经由第二出口20排出。

同时，从第一进口17供应的干空气移动通过中空纤维膜15的内部。

从湿空气中分离的水分移动到中空纤维膜15的内部以使干空气增湿，并且湿化的空气经由第一出口18排出至燃料电池组。

在现有技术膜增湿器的情况中，湿空气经由第二进口19引入到外壳11中，以向中空纤维膜15供应水分，之后其经由第二出口20排出。

然而，经由第二进口19引入的湿空气难以透过其中集中有多个中空纤维膜15的膜组件。

而且，使用这种膜增湿器，湿空气以非常低的速度扩散，其带来进一步的困难。

因为这些原因，通过膜组件10外部的湿空气不能渗透布置在外壳11中的膜组件的内部，而是主要沿着边缘流动。

而且，使用这种膜增湿器，湿空气以非常低的速度扩散到膜组件10的内部中，其显著地降低增湿效率。

因而，膜组件的内部不能得到足够的水分，并且膜增湿器的整体效率降低。

而且，在现有技术膜增湿器的情况中，经由第一进口17引入的大部分干空气主要经由膜组件10的中心流动，因此膜增湿器的整体效率进一步降低。

这由图5中的模拟结果得以显示。

参考图5，可以清楚地看出，经由第一进口17引入的大部分干燥空气仅流经膜组件的中心。

也就是说，经由第一进口17引入的干空气主要流经膜组件的中心（如沿着该图底部移动的流动所示）。而且，经由第二进口19引入的湿空气主要沿着膜组件的边缘流动。结果，膜增湿器的效率显著降低。

由聚合物材料制成的中空纤维膜占了大部分的制造成本。然而，如上所述，由于现有技术膜增湿器具有较低的增湿效率，为提高增湿性能而使用过量束的中空纤维膜。结果，膜增湿器的价格进一步增加。此外，由于需要许多束的中空纤维膜来充分地增加增湿性能，膜增湿器的大小同样增加，其在将膜增湿器安装到燃料电池车辆的有限空间内时引起很多困难。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供膜组件特别是用于聚合物燃料电池的膜增湿器中的膜组件的制造方法和装置。根据本发明，在膜组件的中心布置少量的中空纤维膜，并且朝向边缘布置较大数量的中空纤维膜。通过改变灌封帽的设计，使得从鼓风机引入的干空气可以分布至布置有较大数量中空纤维膜的膜组件的边缘，可以在所有的中空纤维膜处保持均匀的增湿性能。

一方面，本发明提供制造燃料电池用膜组件的方法，该方法包括：制造壳体；在壳体的一侧布置第一灌封帽；在壳体中放置多束中空纤维膜；在壳体的另一侧（经由其容纳中空纤维膜的一侧）布置第二灌封帽；将聚合物材料注入到壳体中以将多束中空纤维膜固定在壳体内，并且干燥聚合物材料；和使用切割装置切割灌封部分，其中聚合物材料注入其中并被干燥。根据本发明，至少一个灌封帽包括多个具有不同直径的圆形隔壁，从灌封帽的内表面突出预定的高度。圆形隔壁同心布置并且以预定的间隔相互隔开。根据各个实施方式，隔壁被隔开从而在膜组件的中心部分布置第一数量的中空纤维膜并且朝向膜组件的边缘布置第二数量的中空纤维膜，其中第一数量小于第二数量。例如，可以在膜组件的中心部分布置“小”或“较小”的第一数量的中空纤维膜，朝向膜组件的边缘则可以布置“大”或“较大”的第二数量，例如或类似于附图中描绘或布置的中空纤维膜的相对数量。而且，中空纤维膜贯穿中心部分且贯穿朝向膜组件的边缘向外布置的部分分布，而不是一起集群分布在这些部分的仅仅一个或多个区域。根据各个实施方式，中空纤维膜基于该一个或多个圆形隔壁布置在膜组件中。具体地，中空纤维膜容纳在该一个或多个圆形隔壁之间的间隙中，从而能够按期望的布置将中空纤维膜设置在壳体内。

在示例性实施方式中，第一灌封帽的整体形状是圆形的，内部圆形表面和边缘或缘状结构从内表面沿其圆周向上突出。在最外隔壁与灌封帽的边缘之间设有间隙，并且在最外隔壁内同心布置的另外的隔壁之间设置一个或更多个另外的间隙。最外隔壁与边缘之间的间隙可以比另外的隔壁之间的一个或更多个另外的间隙更大。

在另一示例性实施方式中，形成在灌封帽中的隔壁之间的间隙可以从最外隔壁到朝向中心布置的最内隔壁逐渐减小。

在又一示例性实施方式中，通过改变各个隔壁的宽度可以改变形成在灌封帽中的隔壁之间的间隙。因此，例如，在隔壁的中心可均匀地隔开时，通过改变隔壁的宽度（或厚度）可以改变隔壁之间的间隙。另外可选地或除了改变隔壁的宽度之外，还可以通过改变隔壁之间的间隔（基于隔壁的中心）来改变间隙。同样地，通过保持期望的隔壁的间隔和宽度，或通过在改变宽度的同时改变期望隔壁的间隔以提供均匀间隙，可以使一个或多个间隙制成一样的。

下文讨论本发明的其它方面和示例性实施方式。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是显示典型的燃料电池用膜增湿器的透视图；

图2是显示制造燃料电池用膜组件的常规方法的示意图；

图3是显示在制造常规的燃料电池用膜组件的过程中，中空纤维膜没有均匀分布而是集中在一侧的现象的横截面视图；

图4是显示常规的燃料电池用膜组件的内部结构的横截面视图；

图5是显示常规的燃料电池用膜组件中干空气流动的模拟结果的图；

图6是显示根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池用膜组件的方法的示意图；

图7是显示根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池用膜组件的方法中使用的灌封帽的例子的示意图；

图8是显示根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池用膜组件的方法中使用的灌封帽的另一例子的示意图；

图9是显示通过根据本发明示例性实施方式的方法制造的膜组件中的中空纤维膜的分布的横截面视图；

图10是比较通过根据本发明示例性实施方式的方法制造的膜组件和通过常规方法制造的膜组件的横截面视图；并且

图11是显示根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池用膜组件的方法中使用的灌封帽的各种形状的示意图。

在附图中提到的附图标记包括对在下面进一步讨论的以下元件的参考：

10：膜组件     11：外壳

12：歧管       13：壳体

14：灌封帽     15：中空纤维膜

16：聚合物材料 17：第一进口

18：第一出口   19：第二进口

20：第二出口    21：隔壁

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

下文讨论本发明的上述和其它特征。

本发明提供制造膜组件的方法和装置，所述膜组件中，在膜组件的中心部分布置有第一数量的中空纤维膜并且朝向膜组件的外部布置有第二数量的中空纤维膜。具体地，本发明提供通过改变灌封帽的设计来调节并控制中空纤维膜的布置的方法。根据本发明的实施方式，第二数量的中空纤维膜大于第一数量。

根据本发明的实施方式，从鼓风机引入的干空气可以分布到布置有较大数量的中空纤维膜的膜组件的外边缘部分。

因而，可以解决如下常规问题，即干空气仅流经膜组件的中心。而且，本发明使得可以在所有的中空纤维膜处保持均匀的增湿性能。

图6是显示根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池用膜组件的装置和方法的示意图。

如图6所示，首先，在制造壳体13之后，在壳体13的一侧布置具有多个隔壁21的第一灌封帽14。

然后，在壳体13中放置期望数目束的中空纤维膜15。

接下来，在壳体13的另一侧布置第二灌封帽（未显示），优选地，所述第二灌封帽也具有与第一帽14的多个隔壁匹配的多个隔壁。

随后，将聚合物材料16注射到壳体13中，例如注射到一端部或两端部中，以将多束中空纤维膜15固定在壳体13中。“端部”通常是指沿着描绘的圆柱形壳体13的高度的上下位置，因此，在一些情况下，可以将聚合物材料16注射到壳体13的上下部分或“端部”（“两端部”）。然后根据任何本领域已知的常规技术来干燥聚合物材料16。

当然，可以将聚合物材料16经由灌封帽的进口或在壳体任一侧或任何多侧上的进口（未显示）并且以与现有注入方法相同的方式注入。

当聚合物材料16完全干燥时，使用切割装置切割填充有聚合物材料16的灌封部分，从而完成基本制造过程。可以按需要在任何位置切割灌封部分。在示例性实施方式中，通过切割与灌封帽14接近的灌封部分的底部来切割灌封部分，从而暴露中空纤维膜15的横截面。因此，例如，待丢弃的切下部分可以包括底部灌封帽14和位置接近底部14的小部分中空纤维膜15。

具体地，根据本发明的实施方式，通过对灌封帽14设置多个隔壁21，其中各个所述隔壁21在灌封帽14中具有预定的形状和分布，根据期望的构造将中空纤维膜布置在壳体13的内部。

为了该目的，如图7的实施方式所示，在灌封帽14的内部形成的多个隔壁21同心布置并且具有不同的直径，其从灌封帽14的内表面突出预定高度，并且以预定间隔同心布置。

由此，插入到壳体13中的中空纤维膜15布置在隔壁21之间的间隙中，使得布置在组件中的中空纤维膜15的数目可以得到控制并且基于隔壁21之间的间隙可以彼此不同。例如，通过在外边缘部分设置较大的间隙（其由此容纳更多的中空纤维膜15）并且在中心部分设置较小的间隙（其由此容纳较少的中空纤维膜15），可以在组件的中心部分布置小数量的中空纤维膜15，朝向组件的边缘部分则可以布置较大数量的中空纤维膜15。如图所示，中空纤维膜15布置在由隔壁21形成的间隙内。如进一步所示（例如，参见图8和显示在图9中的所得的布置），中空纤维膜15布置在间隙内以使其在间隙各处均匀地分布而不是将其设置并集中分布在间隙的仅一个或多个部分。

而且，隔壁21的位置确定了沿着组件的轴向组件中的中空纤维膜15之间多个平行的间隔。

根据图7所示的示例性实施方式，形成在灌封帽14中的隔壁21之间的间隙可以从布置在最外侧的隔壁21a向着朝向中心布置的隔壁21b和21c逐渐减小（L1>L2>L3）。

例如，布置在最外侧的隔壁21a与灌封帽的边缘之间的间隙（L1）大于布置在最外隔壁21a内侧的隔壁21a与21b间的间隙（L2）和21b与21c间的间隙（L3），从而可以在组件的中心部分布置较小数量的中空纤维膜15，并且可以朝着外边缘部分布置较大数量的中空纤维膜15。

因而，可以将干空气分布至布置有较大数量的中空纤维膜15的组件的外边缘部分，因此，通过凝结有较大量水（相比于组件的中心）的外边缘部分处的中空纤维膜15，干空气较大程度地变湿，从而在所有的中空纤维膜处保证均匀的湿化性能。

根据各个实施方式，通过改变各个隔壁21的宽度（即厚度），可以改变形成在灌封帽14中的隔壁21之间的间隙。

具体地，如图8所示，靠近灌封帽14的边缘布置的最外隔壁21a的宽度可以小于朝向中心布置的隔壁21b和21c的宽度，由此得到的最外隔壁21a与灌封帽14的边缘之间的间隙，其比向内布置（即朝向中心）的隔壁21a与21b间的间隙（L2）和21b与21c间的间隙（L3）更大。结果，可以在组件的中心部分布置较小数量的中空纤维膜15，并且朝着外边缘部分可布置较大数量的中空纤维膜15。

灌封帽14（以及其它灌封帽，如果设置有隔壁的话）的隔壁21可具有多种形状。例如，如图11所示，隔壁21可以具有由多个圆形隔壁和径向延伸的线性隔壁的组合形成的多种形状。

就其本身而言，在典型的膜增湿器的情况中，在制造膜组件的过程中，中空纤维膜不是均匀分布而是集中在一侧，所述典型的膜增湿器是一个容纳有多束中空纤维膜的大组件。

然而，根据本发明的方法和装置，基于隔壁21的布置，使多个中空纤维膜15以分开的方式容纳在膜组件10中，因此可以解决中空纤维膜集中在一侧的常规问题（参见图9）。

而且，根据本发明的方法和装置，可以改善湿空气和干空气的分布，因此可以提高膜的利用（参见图10）。

再者，使用常规膜增湿器，膜组件的外边缘上的中空纤维膜因其不均匀分布和湿空气在外边缘处的不均匀分布而损坏。本发明的装置和方法提供了改善的中空纤维膜在膜组件内的分布和改善的湿空气分布，由此解决中空纤维膜损坏的问题。

此外，根据本发明的方法和装置，可以改善增湿器的性能，由此相比于现有膜增湿器可以减少中空纤维膜的使用量，同时仍保持增湿效率。

如上所述，根据本发明的制造燃料电池用膜组件的方法和装置具有以下优点。

第一，由于在组件的中心部分布置第一数量（具体地，小数量）的中空纤维膜并且朝着外边缘部分布置第二数量（具体地，比第一数量更大的数量）的中空纤维膜，可以防止干空气仅经由膜组件的中心流动，因此在中空纤维膜各处可以保持均匀的增湿性能。

第二，由于在膜组件中以分开的方式（例如，由隔壁分开）容纳多个中空纤维膜，可以解决中空纤维膜集中在一侧的常规问题。还可以解决边缘上的中空纤维膜因不均匀分布而损坏的常规问题。

第三，通过本发明的膜增湿器的改善性能，可能减少中空纤维膜的使用量同时仍保持增湿性能，由此可以减小制造成本和膜增湿器的大小。

而且，通过将中空纤维膜分布在膜组件内可以减小施加到膜增湿器的压降，由此可以减小施加到鼓风机的负荷。

已经参考示例性实施方式详细描述了本发明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (12)

1.一种制造燃料电池用膜组件的方法，所述方法包括：

制造具有外壁、顶侧和底侧的壳体；

在所述壳体的底侧上布置第一灌封帽，所述第一灌封帽包括内表面和从所述灌封帽的内表面突出预定高度的多个圆形隔壁，所述多个隔壁具有不同的直径且同心布置并以预定间隔隔开；

在所述壳体中经由所述顶侧放置多束中空纤维膜，其中所述中空纤维膜由所述多个隔壁分开，从而在所述壳体的中心部分布置第一数量的中空纤维膜并且朝向所述壳体的外部布置第二数量的中空纤维膜，其中所述第二数量大于所述第一数量；

在所述壳体的顶侧上布置第二灌封帽；

将聚合物材料注入到所述壳体中，以固定所述多束中空纤维膜；

干燥所述聚合物材料从而形成灌封部分；和

切割所述灌封部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中在所述多个隔壁之间形成有多个间隙，其中在最外隔壁与所述灌封帽的边缘之间形成的最外间隙大于布置在所述最外隔壁内的多个隔壁之间形成的一个或多个内部间隙。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述多个间隙的大小从最外间隙向最内间隙逐渐减小。

4.如权利要求1所述的方法，其中在所述多个隔壁之间形成有多个间隙，并且其中通过改变所述多个隔壁的宽度使所述多个间隙的大小改变。

5.如权利要求2所述的方法，其中通过改变所述多个隔壁的宽度使所述多个间隙的大小改变。

6.如权利要求3所述的方法，其中通过改变所述多个隔壁的宽度使所述多个间隙的大小改变。

7.一种通过权利要求1所述的方法形成的膜组件。

8.一种包括权利要求7所述的膜组件的燃料电池。

9.一种通过灌封方法制造燃料电池用膜组件的装置，包括：

具有外壁、顶侧和底侧的壳体；

可布置在所述壳体的底侧上的第一灌封帽，所述第一灌封帽包括内表面和从所述灌封帽的内表面突出预定高度的多个圆形隔壁，所述多个隔壁具有不同的直径且同心布置并以预定间隔隔开；

可布置在所述壳体的顶侧上的第二灌封帽；

用于将聚合物材料注入到所述壳体中的一个或多个注射进口。

10.如权利要求9所述的装置，其中在所述多个隔壁之间形成有多个间隙，其中在最外隔壁与所述灌封帽的边缘之间形成的最外间隙大于布置在所述最外隔壁内的多个隔壁之间所形成的一个或多个内部间隙。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述多个间隙的大小从最外间隙向最内间隙逐渐减小。

12.如权利要求9所述的装置，其中在所述多个隔壁之间形成有多个间隙，并且其中通过改变所述多个隔壁的宽度使所述多个间隙的大小改变。

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