CN111148565B - 组装型盒块及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够使各种类型的盒能够被制造的组装型盒块及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组，根据本发明的一个实施例的组装型盒块包括：本体部，本体部在其中收容多个中空纤维膜，并且具有分别形成在其上部和下部的网状部；以及紧固部，紧固部形成在本体部的侧表面上，并且与相邻的组装型盒块紧固。此外，根据本发明的一个实施例的中空纤维膜模组包括：壳体单元，壳体单元包括第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口；以及盒单元，盒单元安装在壳体单元的内部，并通过紧固多个组装型盒块而形成，每个组装型盒块中收容多个中空纤维膜。

Description

组装型盒块及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组

技术领域

本公开涉及一种中空纤维膜模组，更具体地，涉及一种使各种形式的盒可被制造的组装型盒块以及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组。

背景技术

燃料电池是将氢和氧结合来产生电的发电电池。这种燃料电池的优点在于：与诸如干电池或蓄电池的普通化学电池不同，只要氢和氧被供给就可以连续地产生电；以及没有热损失，因此燃料电池的效率是内燃机效率的约两倍。

另外，燃料电池将由氢和氧的结合产生的化学能直接转化为电能，因此仅少量的污染物(如果有的话)被排放。因此，燃料电池具有以下优点：它是环境友好的，并且可以减少由于能耗的增加而引起的资源枯竭的担忧。

根据所用电解质的种类，这种燃料电池可被分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、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)、碱性燃料电池(AFC)等。

这些燃料电池基本上按照相同的原理工作，但在所使用的燃料的种类、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。在这些燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池被已知为对于运输系统以及小型固定发电设备是最有利的，这是因为聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料电池更低的温度下工作，并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，由此可以使聚合物电解质膜燃料电池小型化。

提高聚合物电解质膜燃料电池性能的最重要方法之一是向膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜(也称为“质子交换膜”)(PEM)供应至少一定量的水分以保持水含量。这是因为，如果聚合物电解质膜变干，则发电效率急剧降低。

对聚合物电解质膜进行加湿的方法包括：1)起泡加湿法，用水填充耐压容器，通过扩散器使目标气体通过耐压容器使得目标气体可以被提供水分；2)直接喷射法，计算对于燃料电池反应所需供给的水分量，并通过电磁阀将水分直接供应给气体流动管；以及3)膜加湿法，使用聚合物分离膜将水分供应给气态流化床。

在这些方法中，膜加湿法使用仅对排气中的水蒸气可渗透的膜并将水蒸气提供给向聚合物电解质膜供给的气体以加湿聚合物电解质膜，该膜加湿法的优点在于可以减少加湿器的重量和尺寸。

在形成模组的情况下，每单位体积的渗透面积大的中空纤维膜优选地用作膜加湿法的选择性膜。即，在使用中空纤维膜制造加湿器的情况下，接触面积大的中空纤维膜可以被高度地集成，由此(i)即使在小容量的情况下也可以充分地加湿燃料电池，(ii)可以使用低价材料，(iii)可以收集和再利用从燃料电池中排放的未反应的热气中包含的水分和热量。

在使用中空纤维膜的加湿器的情况下，为了提高加湿器的容量，将多个中空纤维膜集成。然而，在这种情况下，由于高度地集成的中空纤维膜引起的阻力，中空纤维膜外部的气态流化床不能均匀地形成在加湿器的整个内部。

为了克服这个问题，如图1所示，已经开发出在其中安装有多个盒11的中空纤维膜模组。由于多个盒11被安装在加湿器壳体10中，因此可以实现均匀的气体流动。即，每个盒11容纳中空纤维膜束，并且多个盒11被安装在加湿器壳体10中，使得引入的气体流过每个盒的内部，由此其可以实现均匀的气体流动。

然而，这种常规的盒类型具有以下问题。

每个盒11具有与加湿器壳体10的宽度类似的宽度。因此，每当加湿器壳体10的尺寸改变时，就必须单独地制造具有与加湿器壳体10相对应的尺寸的盒。另外，由此制造的盒不能被用于具有不同尺寸的加湿器壳体10中。因此，这种常规的盒不适于批量生产。

发明内容

技术问题

本公开的一个目的是提供一种能够使各种形式的盒可被制造的组装型盒块及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组。

技术方案

根据本公开的一个实施例的组装型盒块包括：

本体部，在所述本体部中具有多个中空纤维膜，所述本体部具有网状部，所述网状部被配置成允许流体经由所述网状部被引入到所述本体部中；以及紧固部，所述紧固部形成在所述本体部上，所述紧固部被配置成紧固到相邻的组装型盒块。

根据本公开的一个方面，本体部可以具有多边形棱柱的形状。

根据本公开的一个方面，所述本体部可以为具有扇形基面的扇形棱柱的形状，或者为以使扇形棱柱的基面整体上具有弧形的方式切割扇形棱柱的端部而形成的环形和扇形棱柱的形状。

根据本公开的一个方面，本体部可以在其相对两端处设置有灌封部(pottingparts)，所述灌封部被配置成将中空纤维膜接合在一起并填充中空纤维膜之间的间隙。

根据本公开的一个实施例的中空纤维膜模组包括：

壳体单元，所述壳体单元具有第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口；以及盒单元，所述盒单元安装在所述壳体单元中，所述盒单元包括紧固在一起的多个组装型盒块，在多个组装型盒块中的每一个中具有多个中空纤维膜。

根据本公开的一个方面，所述组装型盒块中的每一个可以包括：本体部，在所述本体部中具有多个中空纤维膜，所述本体部具有网状部，所述网状部被配置成允许流体经由所述网状部被引入到所述本体部中；以及紧固部，所述紧固部形成在所述本体部上，所述紧固部被配置成紧固到相邻的组装型盒块。

根据本公开的一个方面，所述本体部可以具有多边形棱柱的形状。

根据本公开的一个方面，所述本体部可以为具有扇形基面的扇形棱柱的形状，或者以使扇形棱柱的基面整体上具有弧形的方式切割扇形棱柱的端部而形成的环形和扇形棱柱的形状。

根据本公开的一个方面，本体部可以在其相对两端处设置有灌封部，所述灌封部被配置成将中空纤维膜接合在一起并填充中空纤维膜之间的间隙。

根据本公开的一个方面，盒单元可以进一步包括虚设盒块，在所述虚设盒块中具有流动膜或填充有流体不可渗透膜，所述流动膜被配置成允许流体经由所述流动膜流过而没有水分交换。

根据本公开的一个方面，壳体单元可以包括：壳体盖，所述壳体盖具有第一流体入口；以及流体引导件，所述流体引导件形成在所述壳体盖上，所述流体引导件被配置成将经由所述第一流体入口引入的第一流体均匀地供应给所述盒单元。

根据本公开的各个方面的其他实施例的细节被包括在本公开的以下的详细描述中。

有益效果

根据本公开的实施例，

无论壳体单元的尺寸如何，都可以使用标准化的组装型盒块将盒安装于壳体单元中，由此不必单独制造具有与壳体单元的尺寸相对应的尺寸的盒。

另外，由于无论壳体单元的尺寸如何都可以将盒安装于壳体单元中，因此用于中空纤维膜模组的盒适于批量生产。

另外，组装型盒块内的空间很小，以至于中空纤维膜可以被紧密地安装在其中并且可以相对于彼此几乎不移动，因此可以降低中空纤维膜在制造或动作过程中可能发生的缠结和损坏的风险。

另外，插入到具有相对较小尺寸的组装型盒块中的中空纤维膜在结构上通过组装型盒块支撑，从而中空纤维膜的损坏的风险降低。

附图说明

图1示出了常规的中空纤维膜模组。

图2示出了根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组。

图3示出了根据本公开的第一实施例的要安装在中空纤维膜模组中的组装型盒块。

图4至图6示出了根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组的各种替代形式。

图7是示出根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组的制造过程的图。

图8示出了根据本公开的第二实施例的中空纤维膜模组。

图9示出了根据本公开的第三实施例的中空纤维膜模组。

图10示出了根据本公开的第三实施例的中空纤维膜模组的流体引导件。

具体实施方式

本公开可以以各种方式改变并且可以具有各种实施例。在下面的详细描述中将详细示出和描述一些具体实施例。然而，本公开不限于这些具体实施例，并且应当理解的是，本公开包括包含在本公开的思想和技术范围中的所有的变更、等同物或替代物。

提供本公开中使用的术语仅是为了描述具体实施例，而不旨在限制本公开。除非上下文另外明确指出，否则单数形式也旨在包括复数形式。在本公开中，应当理解的是，术语“包括”、“具有”等指定说明书中所描述的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但并不排除一个或多个其他的特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在或追加。在下文中，将参照附图描述根据本公开的实施例的组装型盒块以及包括该组装型盒块的中空纤维膜模组。

图2示出了根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组，图3示出了安装在根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组中的组装型盒块。

如图2所示，根据本公开的第一实施例的中空纤维膜模组包括壳体单元100以及盒单元200。

壳体单元100限定了中空纤维膜模组的外观。壳体单元100可以包括壳体本体110和壳体盖120，壳体本体110和壳体盖120可以彼此耦接以构成一体的壳体单元。壳体本体110和壳体盖120中的每一个可以由诸如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。

壳体本体110和壳体盖120中的每一者的横截面形状可以是多边形或圆形。多边形可以是三角形、矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形。可选地，多边形可以具有圆角。另外，圆形应被理解为包括椭圆形。

壳体本体110设置有用以接收第二流体的第二流体入口131、以及用以排出第二流体的第二流体出口132。

壳体盖120耦接到壳体本体110。例如，壳体盖120可以耦接到壳体本体110的相对两端。壳体盖120分别设置有第一流体入口121和第一流体出口122。经由壳体盖120中的一个壳体盖120的第一流体入口121引入的第一流体被引入到盒单元200中，流过中空纤维膜的内腔，从盒单元200中流出，并经由另一个壳体盖120的第一流体出口122排放到外部。

在壳体单元100的内部设置有盒单元200，盒单元200包括被紧固在一起的多个组装型盒块300，每个组装型盒块300在其中具有多个中空纤维膜。中空纤维膜选择性地可透过水分。每个中空纤维膜的材料是众所周知的，因此在此将省略其详细描述。

在本公开中，一定数量的标准化组装型盒块300彼此被紧固以形成单个盒210，并且多个盒210被设置在壳体100中以形成盒单元200。

在下文中，将参照图3描述组装型盒块300，组装型盒块300是用于形成盒单元200的基本单元构件。如图3所示，组装型盒块300包括本体部310和紧固部320。

多个中空纤维膜被容纳在本体部310中，并且网状部311形成于本体部310的上部和下部中的每一个。组装多个组装型盒块300而形成的盒单元200的形状可以被确定，而无论壳体单元100的形状如何。或者，盒单元的形状可以被确定为与壳体单元100的内部形状相对应。例如，在壳体单元100的形状是长方体的情况下，如图2所示，组装多个组装型盒块300而形成的盒单元200的形状可以也是对应的长方体。在壳体单元100的截面形状是梯形、平行四边形、五边形或六边形的情况下，盒单元200的形状可以是与其对应的多边形棱柱。

当盒单元200的截面形状是多边形时，本体部310可以形成为三棱柱形状。例如，在盒单元200具有四边形棱柱的形状的情况下，如图4所示，可以将具有三棱柱形状的多个组装型盒块彼此耦接，以实现与盒单元200的形状相对应的四棱柱形状。

另外，例如，在盒单元200具有圆柱形状的情况下，如图5所示，本体部310形成为具有扇形基面的扇形棱柱的形状，使得可以通过将多个这种盒块彼此耦接而获得圆柱形盒单元200。

另外，例如，在壳体单元100的形状为圆柱形并且将多个组装型盒块彼此耦接而形成的盒单元200的形状为具有环形截面的中空圆柱形的情况下，如图6所示，本体部310形成为具有以使扇形棱柱的基面整体上具有弧形的方式切割扇形棱柱的端部而形成的环形和扇形棱柱的形状。

本体部310可以包括防分离钩312，防分离钩312被配置成防止插入到壳体单元100中的盒210(参见图2)或盒单元200(参见图5和图6)与壳体单元100分离，盒210或盒单元200具有彼此紧固的多个组装型盒块300。防分离钩312可以在本体部310的所有表面中的至少一个表面上形成为具有突出规定长度的突起的形状。

网状部311形成在本体部310的特定区域上。例如，如图3所示，网状部311可以形成在本体部310的上侧和下侧上。或者，网状部311可以形成在本体部310的上侧或下侧上，或者可以形成在本体部310的整个圆周表面上。网状部311允许经由第二流体入口131引入的第二流体(湿流体)(后面进行描述)被引入到组装型盒块300中，使得在组装型盒块300中第二流体可以与经由第一流体入口121引入的第一流体(干流体)交换水分。或者，第二流体可以是干燥流体，第一流体可以是湿润流体。网格部311防止第二流体的一部分直接与设置在组装型盒块300中的中空纤维膜进行碰撞，使得可以避免由于这种碰撞而可能发生的中空纤维膜的任何损坏。

紧固部320形成在本体部310的任一表面上，紧固部320使得组装型盒块能够被紧固到相邻的组装型盒块。能够将两个单元部件彼此紧固的任何装置(means)都可以用作紧固部320。例如，如图3所示，可以在本体部310的一侧上形成紧固突起322(参见图7)，并且可以在本体部的另一侧上形成紧固凹部321，使得相邻的组装型盒块的紧固突起322插入到紧固凹部321中。或者，可以在本体部310的一侧上形成线性紧固突起，并且可以在本体部的另一侧中形成线性紧固凹部(紧固滑槽)，使得相邻的组装型盒块能够以滑动的方式耦接到组装型盒块300。

本体部310可以在其相对两端处设置有灌封部(未示出)，所述灌封部被配置成将中空纤维膜接合在一起并且填充中空纤维膜之间的间隙。或者，取代单独地形成用于组装型盒块300的灌封部，也可以在具有彼此紧固的多个组装型盒块300的盒210或盒单元200的相对两端的每一端处共同地形成灌封部。进一步，也可以在每个组装型盒块300的本体部310的相对两端处形成灌封部，并且在具有彼此紧固的多个组装型盒块300的盒210或盒单元200的相对两端处共同地形成附加的灌封部。

在将多个中空纤维膜插入到如上所述构建的每个组装型盒块300中之后，相邻的组装型盒块300彼此紧固以形成单个盒210或单个盒单元200，如图7所示。也可以在形成盒210或盒单元200之后将多个中空纤维膜插入到每个组装型盒块300中。

可以通过将彼此紧固的多个盒210或盒单元200插入到壳体单元100中，并将壳体盖120分别耦接到壳体单元100的相对两端，来获得中空纤维膜模组。

根据上述的本公开的第一实施例，无论壳体单元100的尺寸如何，可以使用标准化组装型盒块将盒安装在壳体单元100中。因此，不需要单独地制造具有与壳体单元100的尺寸相对应的尺寸的盒。另外，由于无论壳体单元100的尺寸如何都可以将盒安装在壳体单元100中，所以可以大量生产用于中空纤维膜模组的盒。

常规的盒被制造为具有相对较大的尺寸，因此，中空纤维膜可在其中相对于彼此移动的盒的内部空间较大。因此，存在着在制造或操作过程的期间中空纤维膜缠结和损坏的高风险。

另一方面，根据本公开的标准化组装型盒块具有相对较小的尺寸，因此组装型盒块内部的空间很小，以至于中空纤维膜能够被紧密地安装于其中并且能够相对于彼此几乎不移动。因此，可以降低中空纤维膜在制造或操作过程的期间可能发生的缠结和损坏的风险。另外，插入到具有相对较小尺寸的组装型盒块中的中空纤维膜在结构上通过组装型盒块支撑，从而降低了中空纤维膜损坏的风险。

接下来，将参照图8描述根据本公开的第二实施例的中空纤维膜模组。图8示出了根据本公开的第二实施例的中空纤维膜模组。

如图8所示，根据本公开的第二实施例的中空纤维膜模组包括壳体单元100以及盒单元200。根据第二实施例的中空纤维膜模组与根据第一实施例的中空纤维膜模组的不同之处在于，盒单元200还包括虚设盒块400。根据第二实施例的中空纤维膜模组的其他部件与根据第一实施例的中空纤维膜模组的部件相同，因此将省略其详细描述。

虚设盒块400包括本体部310和紧固部320，本体部310和紧固部320与根据上述的第一实施例的组装型盒块300相似。然而，在虚设盒块400的本体部310中不存在用于水分交换的中空纤维膜。相反，虚设盒块400的本体部310在其中具有流动膜或填充有流体不可渗透膜，其中流动膜被配置成允许流体从其中流过而没有水分交换。

由于在虚设盒块400中不进行水分交换，因此虚设盒块对加湿效率的提高没有影响。然而，在壳体单元100的尺寸大于对于期望的加湿效率的尺寸的情况下，可以在壳体单元100中插入适当数量的虚设盒块400，以实现期望的加湿效率。

接下来，将参照图9描述根据本公开的第三实施例的中空纤维膜模组。图9是示出根据本发明的第三实施例的中空纤维膜模组的图。

如图9所示，根据本公开的第三实施例的中空纤维膜模组包括壳体单元100以及盒单元200。根据第三实施例的中空纤维膜模组与根据第一实施例的中空纤维膜模组的不同之处在于，在具有第一流体入口121的壳体盖120上形成有流体引导件500。根据第三实施例的中空纤维膜模组的其他部件与根据第一实施例的中空纤维膜模组的部件相同，因此，将省略其详细描述。

第一流体经由第一流体入口121被引入到壳体单元100中，然后被供应给盒单元200。此时，靠近第一流体入口121的盒可以被良好地供应第一流体。然而，由于盒单元200的与布置有关的结构限制，盒越远离第一流体入口121设置，第一流体可越少地被供应给盒。

因此，根据该实施例，在具有第一流体入口121的壳体盖120上形成流体引导件500(510和520)，从而将第一流体均匀地供应给盒单元200的整个区域。

如图9所示，流体引导件500包括连接到壳体盖120的支撑杆510以及连接到支撑杆510的引导板520。引导板520可以根据期望的加湿效率形成为具有适合的尺寸。为了使相对于第一流体由引导板520产生的流动阻力最小化，引导板520优选地形成为锥形或多边形棱锥的形状。经由第一流体入口121引入的第一流体与引导板520碰撞，在被引导板520引导的同时流过各个支撑杆510之间的空间，并且进入盒单元200。

如图10所示，每个支撑杆510可以形成为从引导板520的外周面延伸。在这种情况下，每个支撑杆510优选地以随着与引导板520的外周面的距离增加而其宽度逐渐减小的方式形成。因此，随着与第一流体入口121的距离增加，对引入的第一流体的流动阻力逐渐减小，由此可以将第一流体均匀地供给到盒单元200的整个区域上。

尽管以上已经描述了本公开的实施例，但是对于本公开所属领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求中记载的本公开的构思的情况下，可以通过追加、变更、删除或补充部件来对本公开进行各种修改和变更，并且这种修改和变更落入本公开的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种中空纤维膜模组，包括：

壳体单元，所述壳体单元具有第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口；以及

盒单元，所述盒单元设置在所述壳体单元中并且包括多个盒，

其中：

所述盒中的每一个包括相互紧固的多个标准化的组装型盒块，使得所述盒单元的形状被确定为与所述壳体单元的内部形状相对应，

所述组装型盒块中的每一个包括：

本体部，在所述本体部中具有多个中空纤维膜，所述本体部具有网状部，所述网状部被配置成允许流体经由所述网状部被引入到所述本体部中；以及

紧固部，所述紧固部形成在所述本体部上，所述组装型盒块通过所述组装型盒块的所述紧固部而相互紧固，

所述紧固部包括在所述本体部的一侧上的紧固突起以及在所述本体部的另一侧上的紧固凹部，使得通过将两个相邻的组装型盒块中的一者的所述紧固突起插入到所述两个相邻的组装型盒块中的另一者的所述紧固凹部中使所述两个相邻的组装型盒块相互紧固，并且

所述多个盒不相互紧固。

2.根据权利要求1所述的中空纤维膜模组，其中，所述组装型盒块中的每一者的所述本体部具有多边形棱柱的形状。

3.根据权利要求1所述的中空纤维膜模组，其中，所述组装型盒块中的每一者的所述本体部为具有扇形基面的扇形棱柱的形状，或者为以使扇形棱柱的基面整体上具有弧形的方式切割所述扇形棱柱的端部而形成的环形和扇形棱柱的形状。

4.根据权利要求1所述的中空纤维膜模组，其中，所述组装型盒块中的每一者的所述本体部在相对两端处设置有灌封部，所述灌封部被配置成将所述中空纤维膜接合在一起并填充所述中空纤维膜之间的间隙。

5.根据权利要求1所述的中空纤维膜模组，其中，所述盒中的至少一个进一步包括虚设盒块，在所述虚设盒块中具有流动膜或填充有流体不可渗透膜，所述流动膜被配置成允许流体经由所述流动膜流过而没有水分交换。

6.根据权利要求1所述的中空纤维膜模组，其中，所述壳体单元包括：

壳体盖，所述壳体盖具有所述第一流体入口；以及

流体引导件，所述流体引导件形成在所述壳体盖上，所述流体引导件被配置成将经由所述第一流体入口引入的第一流体均匀地供应给所述盒单元。

Images