CN103633348A

CN103633348A - 用于燃料电池的膜加湿器

Info

Publication number: CN103633348A
Application number: CN201210505796.7A
Authority: CN
Inventors: 金贤裕; 权赫律
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103633348B; KR101449115B1; DE102012220633A1; US20140054804A1; KR20140025710A; US9570767B2

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：具有第一端和第二端的壳体；具有第一端和第二端的中空纤维膜组件；具有入口和第一壳体连接端的第一外壳；具有出口和第二壳体连接端的第二外壳；多个中空纤维膜；以及中空纤维膜导向结构，其中所述多个中空纤维膜位于所述壳体内；所述壳体位于所述中空纤维膜组件内，使得在所述第一外壳被装配到所述第一壳体端上时，所述第一壳体连接端邻接所述中空纤维膜组件的所述第一端，并且在所述第二外壳被装配到所述第二壳体端上时，所述第二壳体连接端邻接所述中空纤维膜组件的所述第二端；并且所述中空纤维膜导向结构周向连接于所述壳体的端部。

Description

用于燃料电池的膜加湿器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜加湿器。

背景技术

燃料电池包括：产生电能的燃料电池组；向燃料电池组供应燃料（例如氢）的燃料供应系统；向燃料电池组供应氧气的空气供应系统，氧气包含在空气中，并作为电化学反应所需的氧化剂；以及控制燃料电池组的操作温度的热和水管理系统。

参考图1，燃料电池的空气供应系统包括：将外部空气供应到燃料电池组10的阴极的鼓风机30，和将鼓风机30供应的空气加湿并将加湿后的空气供应到燃料电池组的阴极的膜加湿器20。

在聚合物电解质膜燃料电池的情况下，燃料电池的操作需要水，并且通常需要用于加湿空气的加湿器。为了使空气湿润，可以利用诸如使用起泡器、注入剂和吸收剂的各种方法。然而，由于用于车辆的燃料电池的尺寸受到较大地限制，因此燃料电池车辆使用体积相对较小且不需要动力的膜加湿器。

图2和图3示出传统的膜加湿器。这种膜加湿器包括外壳100、中空纤维膜组件200、以及歧管106和108。外壳100包括入口102，形成于外壳的一个侧端，用于接收来自鼓风机30的外部空气（例如，干燥空气）；以及出口104，形成于外壳的另一侧端，向燃料电池组10排放经加湿的空气。歧管106形成于外壳100的上表面上，靠近出口104，以接收从燃料电池组排放的湿润空气，而歧管108形成于外壳100的下表面，靠近入口102，以便将通过对来自鼓风机的空气加湿而得到的湿润空气排放到外部。

此外，中空纤维膜组件200包括容纳在其中的一束中空纤维膜202，并且其中形成有歧管106和108的外壳100连接于中空纤维膜组件200的两端，围绕中空纤维膜组件200。

下面简单地描述具有上述结构的传统膜加湿器的操作。

如图3所示，当从燃料电池组排出的湿润空气通过外壳100的歧管106被供应到中空纤维组件200的内部时，通过被容纳在外壳100中的各个中空纤维膜202的毛细管作用分离湿润空气中包含的水。当穿过中空纤维膜202的毛细管时，经分离的水被浓缩并移动到中空纤维膜202中。此时，被分离了水的湿润空气移动到中空纤维膜202的外部，并且通过外壳100的歧管108排出作为外部空气。

当穿过中空纤维膜202时，从鼓风机30通过外壳100的入口102供应的外部空气（例如，干燥空气）被移动。此时，由于从湿润空气中分离的水已被移动到中空纤维膜202中，因此干燥空气被水加湿。经加湿的空气通过出口104被供应到燃料电池组10。

接下来，将说明用于生产具有上述结构的膜加湿器的中空纤维膜组件的传统制造方法和操作。

首先，制造壳体，并且将所需数目的中空纤维膜容纳在壳体中。然后，将聚合物材料（polymer material）注入到中空纤维膜的两端中，以将中空纤维膜固定到壳体上。该过程被称为“灌注（potting）”或“灌注工艺”。用于灌注的聚合物材料可以包括聚氨酯类树脂材料，并且灌注工艺可以包括浸渍工艺和离心成型工艺。如图4所示，浸渍工艺利用重力的使用，并且操作如下：首先，将其中容纳有一束中空纤维膜202的壳体204插入到树脂注入装置中；然后当通过树脂注入装置的入口注入聚合物材料时，由于重力作用，在渗透于密集容纳的中空纤维膜之间时，被注入的聚合物材料，在重力的作用下，将中空纤维膜束固定。

图5A-5D是说明这种灌注工艺的图示。灌注工艺包括如图5A所示制备壳体、如图5B所示在其上放置灌注盖300、如图5C所示插入中空纤维膜202、以及如图5D所示注入树脂310。

在灌注工艺之后，对聚合物材料进行干燥，并且利用切割装置部分地切割灌注部分的端部。然后，可以获得具有如图6所示的横截面结构的中空纤维膜组件。

根据传统方法，灌注的材料根据温度变化而反复地收缩和膨胀。由于灌注材料的反复收缩和膨胀，因而预定时间过后，在灌注材料310与壳体204之间会形成缝隙320，如图7A和7B所示。由于存在缝隙320，因此不能保持气密性。图8是示出在灌注材料与壳体之间形成缝隙的状态的相片。

在传统方法中，在加湿器内部的空气流会对聚合物中空纤维膜施加压力。在此情况下，可以在中空纤维膜与灌注材料310的底部相接触的部分对中空纤维膜进行切割。

此外，当通过灌注材料灌注聚合物中空纤维膜时，中空纤维膜的灌注部分不能用作加湿膜。也就是说，当灌注部分被形成为具有较大厚度时，加湿器的加湿性能降低。因此，需要一种膜类加湿器，其在物理应力（例如诱导膨胀/收缩的温度、空气压力等）下不会变形，因此不会形成缝隙，同时即使用于厚膜时仍能维持加湿性能。

发明内容

本发明提供一种用于具有特定结构的用于燃料电池的膜加湿器，其能够防止在灌注材料与壳体之间形成间隙。本发明也涉及用于具有特定结构的燃料电池的膜加湿器，其能够防止中空纤维膜在其与灌注材料的底部相接触的部分被加湿器中的气流切断。本发明还涉及用于具有特定结构的燃料电池的膜加湿器，其中通过灌注材料灌注的聚合物中空纤维膜的灌注部分可以起加湿膜的作用。

本发明的其他目的和优点，通过以下描述并且参考本发明的示例性实施例将变得更加易于理解和显而易见。

根据本发明的示例性实施例，用于燃料电池的膜加湿器包括：壳体；覆盖壳体的中空纤维膜组件；连接于中空纤维膜两端的外壳；布置在壳体中的多个中空纤维膜；以及中空纤维膜导向结构，其安装在中空纤维膜组件的一端或两端，并且具有在其中形成用来多个中空纤维膜的灌注材料层。

可以对中空纤维膜导向结构的内部进行划分，以便均匀地分割多个中空纤维膜。中空纤维膜导向结构的内部可以被划分成四个部分、八个部分或者十二个部分。

多个中空纤维膜可被布置在壳体内以均匀地分配被划分的中空纤维膜导向结构。

此外，还可以通过被划分的中空纤维膜导向结构来划分灌注材料。

附图说明

图1是示出传统燃料电池的空气供应系统的示意图；

图2和3是传统膜加湿器的透视图和横截面图；

图4是用于说明包括在传统膜加湿器中的中空纤维膜组件的灌注工艺的示意图；

图5A～5D示出传统的灌注工艺；

图6是在传统灌注工艺之后形成的中空纤维膜组件的透视图；

图7A和7B是示出传统灌注材料会相对于外壳壳体形成缝隙的示意图；

图8是示出传统灌注材料已经从图7所示的外壳壳体分离的实施例的图；

图9是应用了根据本发明示例性实施例的结构的中空纤维膜组件的概念图；

图10是图9的示例性中空纤维膜组件的部分透视图；

图11A～11C是说明图9或10所示的示例性结构的形状的概念视图；

图12A和12B是说明与传统结构相比，根据本发明的示例性实施例的结构的作用的概念图。

贯穿整个说明书，在本发明的所有视图和实施方式中，相同的附图标记指代相同的部件。

具体实施方式

下面参考附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。然而，本发明可以以不同的形式实现，并且不应该被理解为限制在本说明书陈述的示例性实施例中。更确切地，提供这些示例性实施例，是为了本公开可以详尽和完整，并且向本领域技术人员全面地阐示本发明的保护范围。

尽管“第一”、“第二”等术语可用来描述各个组件，但是部件不必受术语限制。术语只用于区分一个组件和其他部件。例如，在不偏离本发明的保护范围的情况下，第一组件可被称为第二组件，而第二组件可被称为第一组件。此外，术语“和/或”可以包括相关项目的组合或者相关项目中的任何一个。

本文中所使用的术语，包括技术术语或科学术语在内，只要它们以不同方式限定，可以具有如本发明适合的本领域技术人员所理解的相同意思。

只要其没有在本说明书中定义，如通常所使用的字典中定义的术语应该分析为具有如在相关技术的背景中的相同意思，不应该分析为理想的意思或者过分正规的意思。

可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车（例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料）。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。

接下来将参考附图描述根据本发明示例性实施例所述的具有特定结构的用于燃料电池的膜加湿器。

图9是应用了根据本发明的示例性实施例的结构的中空纤维膜组件的概念图。参考图9，中空纤维膜导向结构430可以安装在壳体400的一侧。为了便于描述，图9中示出中空纤维膜导向结构430可以仅仅安装在壳体400的左侧。然而，中空纤维膜导向结构430可以安装在壳体400的任一侧或者两侧。

在壳体的内部，可以布置彼此间隔预定距离的多个中空纤维膜410。此外，用于固定多个中空纤维膜410的灌注材料层420可以形成在中空纤维膜导向结构430里面。可以通过如图5所示的制备壳体、放置灌注盖、插入中空纤维膜以及注入树脂的工艺来形成灌注材料层420。

在本发明的示例性实施例中，可以在制备壳体的工艺之后，另外执行在所制备的壳体400中安装中空纤维导向结构430的工艺。具体地说，首先在步骤S1中，生产和制备壳体400。当制备好壳体400时，可以在壳体400的一侧覆盖上灌注盖之后，安装中空纤维膜导向结构430，并且可以在步骤S2中安装中空纤维导向结构430。然后，可以在步骤S3中，将所需数目的中空纤维膜容纳在壳体400中。接着，可以在步骤S4中，将聚合物材料注入到中空纤维膜的两端中以便将中空纤维膜固定到壳体400上。该工艺称为灌注工艺。

在本发明的该实施例中，如图5A-5D所示，利用了重力。具体地，聚合物材料可以穿过树脂入口（未示出）而被注入，然后当在密集形成的中空纤维膜之间渗透时，在重力作用下，固定中空纤维膜。此时，还可以通过树脂将中空纤维膜束固定在灌注材料层420上。

图10是图9所示的中空纤维膜组件的局部透视图。参考图10，中空纤维导向结构430可以安装在壳体400的顶部。中空纤维导向结构430可以用作中空纤维膜的引导机构，因此可以防止膜被空气流断开，而不像传统的膜加湿器那样。

图11A-11C是示出图9或10所示的中空纤维导向结构430的横截面形状的概念图。参考图11A-11C，可以以各种方式来划分中空纤维导向结构430。

图11A示出可以将中空纤维膜导向结构430的内部划分成四个部分。图11B示出可以将中空纤维膜导向结构430的内部划分成八个部分。图11C示出可以将中空纤维膜导向结构430的内部划分成十二个部分。这些只是实施例，可以将中空纤维膜导向结构430的内部划分成若干个部分和/或若干种形状，例如矩形形状、多边形形状、圆形形状等。

也就是说，中空纤维导向结构430的内部可被划分成四个部分、八个部分或者十二个部分。同时地，图9所示的灌注材料层420的灌注材料也可通过中空纤维膜结构而被划分。因此，容纳在壳体中的多个中空纤维膜均匀地分布在经划分的中空纤维膜导向结构430和壳体400中。

图12A和12B是示出根据本发明一个示例性实施例的膜加湿器与常规膜加湿器的效果的概念图。图12A示出在传统膜加湿器中的中空纤维膜的布置状态，而图12B示出在根据本发明的示例性实施例的膜加湿器中的中空纤维膜的布置状态。具体地说，图12A示出中空纤维膜没有均匀分布而是分布在一侧（例如，聚成一团）的状态。然而，图12B示出中空纤维膜没有囤积在一侧，而是均匀地分布和布置的状态。

因此，通过应用根据本发明示例性实施例的结构可以减少灌注材料的数量。此外，在传统的膜加湿器中，只有灌注层来支撑膜。然而，在本发明的示例性实施例中，中空纤维膜结构和灌注层都支撑膜。因此，可以使灌注层的厚度最小化。这意味着可以增加中空纤维膜的区域，其在传统的膜加湿器中由于灌注层而没有被使用。

而且，由于中空纤维膜均匀地分布，因此考虑到加湿器的性能，可以均匀地利用整个中空纤维膜。因此，可以改善膜加湿器的性能。由于膜加湿器的性能改善意味着膜的数量的减少，因此可以降低生产成本。

此外，由于具有被划分成所需数目部分的特定形状的结构被安装在壳体一侧的顶部，因此，可划分灌注材料的区域，使得因灌注材料的收缩和膨胀所引起的热变形最小。因此，可以防止在灌注材料与壳体之间形成缝隙。

尽管已经参考本发明的示例性实施方式对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，还可以对这些实施方式进行修改，本发明的范围被限定在所附的权利要求及其等价形式中。

Claims

1.一种膜加湿器，包括：

具有第一端和第二端的壳体；

具有第一端和第二端的中空纤维膜组件；

具有入口和第一壳体连接端的第一外壳；

具有出口和第二壳体连接端的第二外壳；

多个中空纤维膜；以及

中空纤维膜导向结构，

其中所述多个中空纤维膜位于所述壳体内；

所述壳体位于所述中空纤维膜组件内，使得在所述第一外壳被装配到所述第一壳体端上时，所述第一壳体连接端邻接所述中空纤维膜组件的所述第一端，并且在所述第二外壳被装配到所述第二壳体端上时，所述第二壳体连接端邻接所述中空纤维膜组件的所述第二端；并且

所述中空纤维膜导向结构周向连接于所述壳体的端部。

2.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构周向连接于所述壳体的所述第一端。

3.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构周向连接于所述壳体的所述第二端。

4.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构周向连接于所述壳体的所述第一端和所述第二端。

5.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构还包括形成于其中的灌注材料层。

6.如权利要求5所述的膜加湿器，其中所述灌注材料层固定所述多个中空纤维膜。

7.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构的内表面被划分，以便将所述多个中空纤维膜均匀地分割成所需的数目和/或图案。

8.如权利要求7所述的膜加湿器，其中所述中空纤维膜导向结构的所述内表面被划分成四个部分、八个部分或者十二个部分。

9.如权利要求7所述的膜加湿器，其中所述多个中空纤维膜布置在所述壳体内，以便根据所述被划分的中空纤维膜导向结构的所需数目均匀地分布。

10.如权利要求7所述的膜加湿器，其中所述多个中空纤维膜布置在所述壳体中，以便根据所述被划分的中空纤维膜导向结构的所需图案均匀地分布。

11.如权利要求7所述的膜加湿器，其中由所述被划分的中空纤维膜导向结构对所述灌注材料进行划分。