CN111566861B - 用于燃料电池的膜加湿器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，用于燃料电池的膜加湿器包括：中间壳体，其容纳多个中空纤维膜；盖壳体，其耦接至中间壳体；灌封单元，其形成在多个中空纤维膜的端部处；以及组装构件，其设置在盖壳体和中间壳体的端部之间，并且对盖壳体与中间壳体之间的间隙以及盖壳体与灌封单元之间的间隙同时以气密的方式耦接。

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，更具体地涉及一种能够通过机械组装结构在高温/高压/高湿环境下执行气密密封功能的用于燃料电池的膜加湿器。

背景技术

燃料电池是将氢和氧结合以产生电的电力产生电池。这种燃料电池具有以下优点：与诸如干电池或蓄电池的普通化学电池不同，只要供应氢和氧就可以连续地产生电，并且没有热损失，由此燃料电池的效率大约是内燃机效率的两倍。

此外，燃料电池将通过氢和氧的结合产生的化学能直接转换成电能，由此排放的污染物的量很小。因此，燃料电池具有以下优点：燃料电池是环境友好的，并且可以减少由于能量消耗的增加而引起的资源枯竭的担忧。

基于所使用的电解质的种类，这种燃料电池可以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)或碱性燃料电池(AFC)。

这些燃料电池基本上是按照相同的原理工作的，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(PEMFC)已知是对运输系统以及小型固定电力产生设备最优选的，因为聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料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。

改善聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的性能的最重要因素之一是向膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)提供规定或更多的水分，以保持水含量。其原因在于，在干燥聚合物电解质膜或质子交换膜的情况下，电力产生效率急剧降低。

1)鼓泡机加湿法，向耐压容器填充水，并使目标气体流过扩散器以提供水分；2)直接注入法，计算燃料电池反应所需的要供应的水分量，并且通过电磁阀将水分直接供应到气体流动管道；以及3)加湿膜法，使用聚合物分离膜将水分供应到气体流动层，该方法被用作加湿聚合物电解质膜或质子交换膜的方法。

在这些方法中，加湿膜法使用被构成为仅使废气中所包含的水蒸气选择性地透过的膜，向供应至聚合物电解质膜或质子交换膜的气体提供水蒸气，以加湿聚合物电解质膜或质子交换膜，其优点为，可以减小加湿器的重量和尺寸。

在形成组件的情况下，作为在加湿膜法中使用的选择性透过膜，优选使用每单位体积的透过面积较大的中空纤维膜。即，在使用中空纤维膜制造加湿器的情况下，可以实现接触表面面积较大的中空纤维膜的高度集成，由此，即使在小容量的情况下也可以充分地加湿燃料电池，可以使用廉价的材料，并且可以收集在高温下从燃料电池排出的非反应气体中包含的水分和热量，并且可以通过加湿器再利用收集的水分和热量。

另一方面，在用于燃料电池的一般的膜加湿器中，中空纤维膜被收纳在壳体单元中，并且中空纤维膜通过灌封单元被粘附到壳体单元的内壁。基于堆的期望的输出值而收纳特定数量的中空纤维膜，并且中空纤维膜通过灌封单元被粘附并固定到壳体单元。来自鼓风机的高温空气和来自堆的高温高湿空气被引入到用于燃料电池的膜加湿器中。灌封单元的热膨胀系数和热收缩系数高，由此在壳体单元与灌封单元之间形成间隙，并且空气经由该间隙泄漏。为了防止这种情况，在壳体单元与灌封单元之间的间隙中涂布密封剂。

在空气泄漏的情况下，从鼓风机引入的空气从用于燃料电池的膜加湿器泄漏，由此引入到堆中的空气量减少。由于这个原因，鼓风机需要提供比堆实际所需的空气量更大量的空气，由此增加了鼓风机的功耗，这导致系统功率损耗。因此，就整体功率效率而言，最大程度地防止泄漏是有利的。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种用于燃料电池的膜加湿器，其能够通过机械组装结构在高温/高压/高湿环境中执行气密密封功能。

技术方案

根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器包括：中间壳体，所述中间壳体容纳多个中空纤维膜；盖壳体，所述盖壳体耦接至中间壳体；灌封单元，所述灌封单元形成在多个中空纤维膜的端部处；以及组装构件，所述组装构件设置在盖壳体与中间壳体的端部之间，该组装构件被配置成对盖壳体与中间壳体之间以及盖壳体与灌封单元之间同时执行气密耦接。

组装构件可以包括：第一密封单元，所述第一密封单元与盖壳体的内壁接触的同时被安装在中间壳体的端部上；以及第二密封单元，所述第二密封单元形成在第一密封单元内部并且包围灌封单元。

第一密封单元可以包括：第一密封体，所述第一密封体与盖壳体的内壁接触的同时安装在中间壳体的端部上，该第一密封体形成为具有托架形状；以及第一密封腿，所述第一密封腿形成为从第一密封体的一端向下延伸的同时与第二密封单元接触。

第一密封单元可以进一步包括延伸腿，所述延伸腿从第一密封腿的端部向内延伸，然后从其端部向上延伸，使得该延伸腿包围第二密封单元。

第一密封单元可以进一步包括从第一密封体的另一端向下延伸的第二密封腿，该第二密封腿与盖壳体的内壁和中间壳体的端部接触。

第一密封单元可以进一步包括从第一密封体的另一端向下延伸的第二密封腿，该第二密封腿与盖壳体的内壁和中间壳体的端部接触。

第二密封单元可以包括第二密封体，所述第二密封体形成为包围灌封单元；以及密封臂，所述密封臂插入到第一密封体中。

第一密封单元可以由软材料制成，第二密封单元可以由硬材料制成。

根据本发明的另一个实施例的用于燃料电池的膜加湿器可以包括：中间壳体，所述中间壳体容纳多个中空纤维膜；盖壳体，所述盖壳体耦接至中间壳体；灌封单元，所述灌封单元形成在多个中空纤维膜的端部处；以及组装构件，所述组装构件设置在盖壳体与中间壳体的端部之间，该组装构件被配置成对盖壳体与中间壳体之间以及盖壳体与灌封单元之间同时执行气密耦接。

盖壳体可以包括：大直径部，所述大直径部耦接到中间壳体，所述大直径部的内径大于灌封单元的外径；以及小直径部，所述小直径部从大直径部的一个表面突出，所述小直径部的内径小于灌封单元的外径。

组装构件可以包括：主体，所述主体设置在盖壳体、中间壳体以及灌封单元之间；第一耦接部，所述第一耦接部被按压在盖壳体与中间壳体的端部之间，以在盖壳体与中间壳体之间执行气密耦接；以及第二耦接部，所述第二耦接部与灌封单元的一端接触，以在盖壳体与灌封单元之间执行气密耦接。

第一耦接部可以包括从主体向外延伸的第一延伸部。

第一耦接部可以进一步包括第二延伸部，所述第二延伸部从第一延伸部的端部延伸以与中间壳体的外表面接触。

可以在中间壳体的端部的外表面上设置有被配置成容纳第一耦接部的第二延伸部的台阶部。

盖壳体可以包括从其表面突出的突起，该表面面对中间壳体的端部。

组装构件的第二耦接部可以包括在其内表面处形成的倾斜部，并且灌封单元可以包括在其端部边缘处形成的倾斜部，灌封单元的倾斜部与第二耦接部的倾斜部接触。

组装构件的硬度可以小于灌封单元的硬度。

多个中空纤维膜可以被容纳在盒中，并且盒可以包括从其一端向外延伸的延伸肋，所述延伸肋被配置成支撑组装构件的一个表面。

组装构件可以进一步包括向内延伸以加宽其的与灌封单元接触的表面面积的肋。

组装构件的硬度可以大于灌封单元的硬度，并且可以小于中间壳体的硬度和盖壳体的硬度。

有益效果

根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器能够通过机械组装结构在高温/高压/高湿环境中执行气密密封功能。

此外，使用机械密封方法而不使用化学密封方法，由此可以省略常规化学密封方法所需的聚氨酯/密封剂涂布和固化工序，因此可以缩短工作时间，以提高工作效率，并构建批量生产系统。

此外，当设置在膜加湿器中的单元盒有缺陷时，可再加工性优异，由此可以降低部件报废率。

此外，可以拆卸膜加湿器，可以仅更换有缺陷的盒，然后可以重新组装膜加湿器，由此，本发明在可再加工性和部件的再利用方面是有利的。

此外，可以使用两个可分离的组装构件或单个集成的组装构件对两个或多个部件之间同时执行气密耦接，由此制造和组装非常方便和有效。

附图说明

图1和图2是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的图。

图3是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的一部分的剖视图。

图4是示出根据本发明的组装构件的第一实施例的剖视图。

图5是示出根据本发明的组装构件的第二实施例的剖视图。

图6是示出根据本发明的组装构件的第三实施例的剖视图。

图7是示出根据本发明的组装构件的第三实施例的立体图。

图8是示出根据本发明的组装构件的第三实施例的分解立体图。

图9是示出图4的组装构件密封用于燃料电池的膜加湿器的状态的局部放大图。

图10是示出图5的组装构件密封用于燃料电池的膜加湿器的状态的局部放大图。

图11是示出图6的组装构件密封用于燃料电池的膜加湿器的状态的局部放大图。

图12是示出图5的组装构件插入到灌封单元中的过程的局部放大图。

图13是示出图5的组装构件插入到灌封单元中的状态的局部放大图。

图14是示出图6的组装构件插入到灌封单元中的过程的局部放大图。

图15是示出图6的组装构件插入到灌封单元中的状态的局部放大图。

图16和图17是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解立体图。

图18是示出根据本发明的第四实施例的膜加湿器的剖视图。

图19是示出根据本发明的实施例的中空纤维膜盒的立体图。

图20是示出根据本发明的实施例的组装构件的立体图。

图21是示出根据本发明的第五实施例的膜加湿器的剖视图。

图22是示出根据本发明的第六实施例的膜加湿器的剖视图。

图23是示出根据本发明的第七实施例的膜加湿器的剖视图。

图24是示出根据本发明的第八实施例的膜加湿器的剖视图。

图25是示出根据本发明的第九实施例的膜加湿器的剖视图。

具体实施方式

本发明可以以各种方式改变并且可以具有各种实施例，其中将在下面的详细描述中详细示出和描述具体实施例。然而，本发明不限于特定实施例，并且应该理解，本发明包括本发明的思想和技术范围中包括的所有修改、等同或替代。

本发明中使用的术语仅提供用于描述特定实施例，并且不限制本发明。除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。在本发明中，应理解，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，但不排除一个或多个其他特征、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发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器。

图1和图2是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的图。如图1和图2所示，根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器包括中间壳体110、盖壳体120、灌封单元130和组装构件200。

中间壳体110耦接到盖壳体120，以限定膜加湿器的外观。中间壳体110和盖壳体120中的每一个可以由诸如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。如图1所示，中间壳体110和盖壳体120中的每一者的横截面形状可以是圆形，或者，如图2所示，其横截面形状可以是多边形。多边形可以是矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，并且多边形的角部可以是圆形的。另外，该圆形可以是椭圆形。中间壳体110设置有第二流体入口112和第二流体出口113，第二流体经由第二流体入口112供应，并且第二流体经由第二流体出口113排出。或者，附图标记113可以表示第二流体入口，附图标记112可以表示第二流体出口。

在中间壳体110中设置有容纳有多个中空纤维膜的中空纤维膜组件。中空纤维膜组件可以包括由多个集成的中空纤维膜构成的中空纤维膜束、或者多个中空纤维膜盒C，在每个中空纤维膜盒C中容纳中空纤维膜。图中示出了中空纤维膜组件包括中空纤维膜盒C的情况；然而，并不排除中空纤维膜组件包括中空纤维膜束的情况。

盖壳体120耦接到中间壳体110的各个端部。盖壳体120设置有流体引入和排放端口121，其中一个流体引入和排放端口121是第一流体入口，另一个流体引入和排放端口121是第一流体出口。经由盖壳体120中的一个盖壳体的流体引入和排放端口121引入的第一流体流过容纳在每个中空纤维膜盒C中的每个中空纤维膜的内部管道，然后经由另一个盖壳体120的流体引入和排放端口121排放到外部。例如，每个中空纤维膜可以是由全氟磺酸(Nafion)、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、聚苯砜、聚砜(PS)或聚醚砜(PES)制成的中空纤维膜。

在中空纤维膜组件包括多个中空纤维膜盒C的情况下，中空纤维膜盒C可以在其一侧设置有第一网孔单元M，该第一网孔单元M被配置成使经由第二流体入口112引入到膜加湿器中的第二流体经由第一网孔单元M被引入到中空纤维膜盒C中，并且中空纤维膜盒C可以在其另一侧设置有第二网孔单元(未示出)，该第二网孔单元被配置成使在中空纤维膜盒C中已经执行湿气交换的第二流体经由第二网孔单元从中空纤维膜盒C中排出。

中空纤维膜束或中空纤维膜盒C在其相对两端设置有灌封单元130，该灌封单元130被配置成束缚中空纤维膜，并填充中空纤维膜之间的间隙。其结果，中空纤维膜组件的相对两端被灌封单元130阻塞，由此在中空纤维膜组件中限定了被配置成使第二流体流过其中的流动通道。每个灌封单元130由已知材料制成，并且将从本说明书中省略其详细描述。

图3是示出根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的一部分的剖视图。如图3所示，组装构件200包括第一密封单元210和第二密封单元220。组装构件200设置在灌封单元130与中间壳体110的端部111之间，以同时密封中间壳体110的内部以及中间壳体110与盖壳体120之间的间隙。

第一密封单元210由软材料、即具有低硬度的材料(例如硅酮或软橡胶)制成，第二密封单元220由硬材料、即具有高硬度的材料(例如，塑料、金属或硬橡胶)制成。这里，硬度是基于ASTM D2240(邵氏A)70度确定的。即，硬度为70度以上的材料是硬材料，硬度小于70度的材料是软材料。

组装构件200可以被配置成使得软的第一密封单元210包围硬的第二密封单元220，并且可以通过特有的机械组装结构在高温/高压/高湿环境中执行气密密封功能。

第一密封单元210与盖壳体的内壁122接触的同时安装在中间壳体的端部111上。第二密封单元220形成在第一密封单元210的内部，并且被配置成包围灌封单元130。

在组装过程中，软的第一密封单元210被硬的第二密封单元220按压的同时按压盖壳体的内壁122，以气密地密封由盒C和盖壳体120限定的空间以及中间壳体110的内部空间。在一些实施例中，耦接突起123可以形成在盖壳体120的内壁上，并且耦接突起123增大在膜加湿器的组装时盖壳体120与组装构件200之间的固定力。

组装构件200可以根据灌封单元130的材料被实现为各种实施例。

在下文中，将参照图4至图6描述组装构件200的各种形状。图4是示出根据本发明的实施例的组装构件的第一实施例的剖视图，图5是示出根据本发明的实施例的组装构件的第二实施例的剖视图，图6是示出根据本发明的实施例的组装构件的第三实施例的剖视图。

如图4所示，根据第一实施例的组装构件由第一密封单元210和第二密封单元220构成，第一密封单元210包括第一密封体211和第一密封腿212，第二密封单元220包括第二密封体221和密封臂222。

第一密封体211形成为具有托架形状的同时与盖壳体120的内壁接触，并且第一密封腿212形成为从第一密封体211的一端向下延伸的同时与第二密封单元220接触(参见图9)。

在膜加湿器的组装过程中，第一密封体211被第二密封单元220按压的同时按压盖壳体的内壁122，第一密封腿212被第二密封单元220按压的同时按压中间壳体110的端部111，以气密地密封由盒C和盖壳体120限定的空间以及中间壳体110的内部空间。

第二密封体221和密封臂222中的每一个由硬材料制成。密封臂222按压第一密封体211，第二密封体221按压第一密封腿212。

根据第一实施例的组装构件在灌封单元130由软材料制成的情况下是有用的。在根据第一实施例的组装构件中，在膜加湿器的组装过程中第二密封体221向内按压灌封单元130的同时被插入到软的灌封单元130中。第二密封体221和灌封单元130通过由软材料制成的灌封单元130的恢复力而被气密地密封，灌封单元通过该恢复力返回到其原始位置。同时，第二密封体221按压第一密封腿212，并且第一密封腿212被第二密封体221按压的同时按压中间壳体110的端部111，由此由盒C和盖壳体120限定的空间以及中间壳体110的内部空间被气密地密封(参见图12和13)。此时，第二密封体221的底表面与侧表面之间的角度θ优选地大于90度，以实现组装构件与灌封单元130之间的容易的组装以及组装构件的按压。

如图5所示，根据第二实施例的组装构件由第一密封单元210和第二密封单元220构成，第一密封单元210包括第一密封体211、第一密封腿212和第二密封腿213，第二密封单元220包括第二密封体221和密封臂222。这里，第一密封体211、第一密封腿212、第二密封体221和密封臂222与第一实施例中是相同的，因此将省略其重复说明。

第一密封腿212从第一密封体211的一端向下延伸，第二密封腿213从第一密封体211的另一端向下延伸。中间壳体110的端部111插入到第一密封腿212与第二密封腿213之间的间隙中。此时，中间壳体110的端部111设置有台阶部，在该台阶部上装配有第二密封腿213(参照图10)。

根据第二实施例的组装构件具有以下优点：中间壳体110的端部111插入到第一密封腿212与第二密封腿213之间的间隙中，由此组装构件200与中间壳体110之间的耦接力进一步增加。

如图6所示，根据第三实施例的组装构件由第一密封单元210和第二密封单元220构成，所述第一密封单元210包括第一密封体211、第一密封腿212、第二密封腿213和延伸腿214，第二密封单元220包括第二密封体221和密封臂222。这里，第一密封体211、第一密封腿212、第二密封腿213、第二密封体221和密封臂222与第二实施例中是相同的，因此将省略其重复说明。

延伸腿214由软材料制成，并且从第一密封腿212的端部向内延伸，然后从其端部向上延伸，以包围第二密封单元220(具体地，第二密封体221)(参见图11)。

根据第三实施例的组装构件在灌封单元130由硬材料制成的情况下是有用的。在根据第三实施例的组装构件中，在膜加湿器的组装过程中，软的延伸腿214被灌封单元130按压的同时插入到硬的灌封单元130中。组装构件和灌封单元通过软的延伸腿214的恢复力被气密地密封，延伸腿通过该恢复力返回到其原始位置。另一方面，第二密封体221按压第一密封腿212，并且第一密封腿212被第二密封体221按压的同时按压中间壳体110的端部111，由此由盒C和盖壳体120限定的空间以及中间壳体110的内部空间被气密地密封(参见图14和15)。此时，第二密封体221的底表面与侧表面之间的角度θ优选地大于90度，以实现在组装构件与灌封单元130之间的容易的组装以及组装构件的压缩。

根据第一实施例和第二实施例中的每一个实施例的组装构件在灌封单元130由软材料制成的情况下是有用的，根据第三实施例的组装构件在灌封单元130由硬材料制成的情况下是有用的。

如图7和图8所示，根据第一实施例至第三实施例中的每一个实施例的组装构件形成为圆环形或椭圆环形，并且设置在灌封单元130与中间壳体的端部111之间。图7和图8示出了根据第三实施例的组装构件，根据第一实施例和第二实施例中的每一个实施例的组装构件从根据第三实施例的组装构件容易推导出，因此将省略其图示。

接下来，将描述根据本发明的另一实施例的用于燃料电池的膜加湿器的组装结构。

图16和图17是示出根据本发明的另一实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解立体图。如图16和图17所示，根据本发明的另一实施例的用于燃料电池的膜加湿器100包括中间壳体110、盖壳体120、灌封单元130和组装构件300。

中间壳体110耦接到盖壳体120以限定膜加湿器的外观。中间壳体110和盖壳体120中的每一个可以由诸如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。如图16所示，中间壳体110和盖壳体120中的每一者的横截面形状可以是圆形，或者如图17所示，其横截面形状可以是多边形。多边形可以是矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，并且多边形的角部可以是圆形的。另外，该圆形可以是椭圆形。中间壳体110设置有第二流体入口112和第二流体出口113，第二流体经由第二流体入口112供应，第二流体经由第二流体出口113排出。或者，附图标记113可以表示第二流体入口，附图标记112可以表示第二流体出口。

中空纤维膜组件设置在中间壳体110中，多个中空纤维膜容纳在中空纤维膜组件中。中空纤维膜组件可以包括由多个集成的中空纤维膜构成的中空纤维膜束或者多个中空纤维膜盒140(参见图18)，在多个中空纤维膜盒中的每一个中容纳中空纤维膜。图中示出了中空纤维膜组件包括中空纤维膜盒140的情况；然而，并不排除中空纤维膜组件包括中空纤维膜束的情况。

盖壳体120耦接到中间壳体110的各个端部。盖壳体120设置有流体引入和排放端口121，其中一个流体引入和排放端口121是第一流体入口，另一个流体引入和排放端口121是第一流体出口。经由盖壳体120中的一个盖壳体的流体引入和排放端口121引入的第一流体流过容纳在每个中空纤维膜盒140中的每个中空纤维膜的内部管道，然后经由另一个盖壳体120的流体引入和排放端口121排放到外部。例如，每个中空纤维膜可以是由全氟磺酸(Nafion)、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、聚苯砜、聚砜(PS)或聚醚砜(PES)制成的中空纤维膜。

在中空纤维膜组件包括多个中空纤维膜盒140的情况下，中空纤维膜盒C可以在其一侧设置有第一网孔单元142，该第一网孔单元142被配置成使经由第二流体入口112引入到膜加湿器中的第二流体经由第一网孔单元142被引入到中空纤维膜盒140中，并且中空纤维膜盒C可以在其另一侧设置有第二网孔单元(未示出)，该第二网孔单元被配置成使在中空纤维膜盒140中已经进行湿气交换的第二流体经由第二网孔单元从中空纤维膜盒140中排出。

中空纤维膜束或中空纤维膜盒140在其两端设置有灌封单元130，该灌封单元130被配置成束缚中空纤维膜，并填充中空纤维膜之间的间隙。其结果，中空纤维膜组件的两端被灌封单元130阻塞，由此在中空纤维膜组件中限定了被配置成使第二流体流过其中的流动通道。每个灌封单元130由已知材料制成，并且将从本说明书中省略其详细描述。

图18是示出根据本发明的第四实施例的膜加湿器的剖视图，图19是示出根据本发明的实施例的中空纤维膜盒的立体图，图70是示出根据本发明的实施例的组装构件的立体图。

在下文中，将示出和描述中空纤维膜组件包括中空纤维膜盒140的实施例。另外，在附图中仅示出了单个中空纤维膜盒140；然而，不排除在膜加湿器中包括多个中空纤维膜盒140的情况。

图19的中空纤维膜盒140是设置在膜加湿器的壳体中的多个盒中的一个。图20示出了在设置有单个盒和灌封单元的情况下的组装构件，并且示出的组装构件300被配置成具有一对彼此面对的线性部分和一对彼此面对的半圆形部分彼此连接的结构。图20a是从组装构件与盖壳体120接触的一侧观察时的立体图。图20b是从相反侧观察时的立体图。

组装构件300设置在中间壳体110的端部与盖壳体120之间。同时，组装构件300也可以设置在盖壳体120与灌封单元130之间。

盖壳体120的内表面被组装成与中间壳体110的端部111间隔开。此外，盖壳体120的内表面也被组装成与灌封单元130间隔开。其结果，组装构件300被组装成气密地密封盖壳体120与中间壳体110之间的间隙以及盖壳体120与灌封单元130之间的间隙。

中间壳体110和盖壳体120使用各种紧固方法(未示出)，例如使用多个螺栓进行的紧固、按压、焊接和夹持被组装。此时，执行组装使得组装构件300被插入到中间壳体与盖壳体之间的间隙中然后被按压。图18和下面的附图是沿未穿过诸如螺栓的紧固单元的平面剖开的剖视图，因此未示出诸如螺栓的紧固单元。

如前所述，中间壳体110和盖壳体120中的每一个可以具有多边形或圆形截面。图18和下面的附图的剖视图示出了中间壳体110和盖壳体120中的每一个具有四边形截面的情况。

盖壳体120可以包括：大直径部125，所述大直径部125耦接到中间壳体110，所述大直径部的内径L1大于灌封单元130的外径L3；以及小直径部127，所述小直径部127从大直径部125的一个表面突出，所述小直径部的内径L2小于灌封单元130的外径L3。

这里，外径、内径、大直径部和小直径部通常是与圆形管道的直径有关的术语；然而，膜加湿器的外壳为圆形、椭圆形和多边形的情况都包括在内。

特别地，在膜加湿器的外壳为多边形的情况下，盖壳体120的小直径部127的相对的内表面之间的距离L2小于灌封单元130的相对的外表面之间的距离L3，在盖壳体120的小直径部127中形成有流体引入和排放端口121。因此，在组装时，组装构件300可以被按压在盖壳体120与灌封单元130之间。盖壳体120的形状可以应用于所有的以下实施例以及第四实施例而无需改变。

另外，灌封单元130的相对的外表面之间的距离L3小于中间壳体110的相对的内表面之间的距离，由此灌封单元130设置在中间壳体110中使得与灌封单元130间隔开。因此，组装构件300设置在中间壳体110与灌封单元130之间以将灌封单元130固定，使得灌封单元不能相对于中间壳体110移动。

组装构件300被组装以同时执行中间壳体110与盖壳体120之间、盖壳体120与灌封单元130之间以及中间壳体110与灌封单元130之间的气密耦接。

组装构件300包括：主体310，所述主体310设置在盖壳体120、中间壳体110和灌封单元130之间；第一耦接部320，所述第一耦接部320被按压在盖壳体120与中间壳体110的端部之间，以在盖壳体120与中间壳体110之间执行气密耦接；以及第二耦接部330，第二耦接部330与灌封单元130的一端接触，以在盖壳体120与灌封单元130之间执行气密耦接。

在图18的剖视图中，一对组装构件300被示出为以水平对称方式设置；然而，应该理解，实际上，单个组装构件300通常形成为具有四边形环形形状。

主体310设置在盖壳体120的内表面、中间壳体110的内表面以及灌封单元130的上表面上，并与盖壳体120的内表面、中间壳体110的内表面以及灌封单元130的上表面紧密接触。

第一耦接部320插入并压入到盖壳体120与中间壳体110的端部之间的间隙中。具体地，第一耦接部320可以包括从主体310向外延伸的第一延伸部322、以及从延伸部的端部延伸以与中间壳体110的外表面接触的第二延伸部324。因此，可以在主体310的外表面与第二延伸部324的内表面之间形成供中间壳体110的端部插入的凹部。

另外，如图所示，第二延伸部324的外表面可以与盖壳体120的内表面接触，但不与盖壳体的内表面接触。

可以在中间壳体110的端部111的外表面上设置被配置成容纳第一耦接部320的第二延伸部324的台阶部115。其结果，中间壳体110的外表面和第二延伸部324的外表面可以形成几乎相同的平面。

第二耦接部330是组装构件300的内边缘被压接于灌封单元130的边缘上的部分。

组装构件300和灌封单元130的相对硬度可以被各种各样地配置。在组装构件300的硬度小于灌封单元130的硬度的情况下，在组装时组装构件300的第二耦接部330被灌封单元130按压并使其收缩。图18示出了这种情况。

另一方面，在组装构件300的硬度大于灌封单元130的硬度的情况下，在组装时灌封单元130的边缘可被组装构件300的第二耦接部330按压并使其收缩。第二耦接部330的用虚线表示的区域表示第二耦接部被灌封单元130按压之前的外观。当然，在组装构件300的硬度和灌封单元130的硬度彼此相似的情况下，在组装时组装构件300和灌封单元130的被按压区域可以同时收缩。

优选地，盖壳体120包括从其表面突出的突起123，该表面面对中间壳体110的端部111。突起123可以形成为具有半圆形截面的肋的形状或任何各种其他的形状。特别地，突起123用于进一步按压组装构件300的第一耦接部320，从而改善气密密封，并且突起123用于将第一耦接部320固定，使得在被按压时第一耦接部不能移动。

盖壳体120的突起123可以形成在面对中间壳体110的端部的位置处，或者也可以形成在面对灌封单元130的边界的位置处。另外，突起可以形成在两个突起之间。

形成为具有半圆形截面的肋形状的突起116也可以设置在中间壳体110的端部111处。中间壳体110的突起116和盖壳体120的突起123可以设置成彼此交错而不是彼此面对。在两个突起设置成彼此交错的情况下，当组装构件300被按压时，可以进一步改善气密密封。

图21是示出根据本发明的第五实施例的膜加湿器的剖视图。根据第五实施例的膜加湿器与根据第四实施例的膜加湿器的不同之处在于，盒140包括被配置成支撑组装构件300的一个表面的延伸肋145。

如前所述，在图18至图25所示的实施例中，多个中空纤维膜被收容在盒140中，并且一个或多个盒设置在中间壳体110中。

假设图21所示的方向是标准方向，则延伸肋145从盒140的上端向外延伸以支撑组装构件300的下表面。延伸肋145可以形成为按压并支撑组装构件300的主体310的下表面的一部分或全体。

在盒140被配置为四边形管道的形状的情况下，延伸肋145可以被配置为具有规定宽度的四边形环的形状。当然，在盒140被配置为圆形管道的形状的情况下，延伸肋145可以被配置为具有规定宽度的圆环的形状。

当组装构件300被组装时，第一耦接部320被中间壳体110的端部111按压，并且第二耦接部330被灌封单元130按压。组装构件300的主体310也通过延伸肋145被压接于盖壳体120，由此组装部件300的整体被均匀地按压，因此进一步改善了气密密封。

图22是示出根据本发明的第六实施例的膜加湿器的剖视图。根据第六实施例的膜加湿器与根据第四实施例的膜加湿器的不同之处在于，第一耦接部320不包括第二延伸部。

组装构件300的第一耦接部320包括从主体310向外延伸的第一延伸部322，但是不包括从第一延伸部322的端部延伸以与中间壳体的外表面接触的第二延伸部。

其结果，在中间壳体110的端部111上未形成台阶部，并且端部111形成为具有规定厚度，并且被组装为按压第一延伸部322。

另外，形成在盖壳体120的内表面上的突起123按压第一延伸部322，由此第一延伸部322可以在盖壳体120与中间壳体110的端部111之间可靠地执行气密耦接。

图23是示出根据本发明的第七实施例的膜加湿器的剖视图。根据第七实施例的膜加湿器与根据第四实施例的膜加湿器的不同之处在于，倾斜表面形成在组装构件300的第二耦接部330和灌封单元130的边缘上以使它们彼此接触。

在第二耦接部330处形成有倾斜部322，在灌封单元130的上端的边缘处也形成有倾斜部132。在如图23所示的实施例的情况下，组装构件300的硬度大于灌封单元130的硬度，因此，在组装时，第二耦接部330的倾斜部322按压灌封单元130的倾斜部132。

另一方面，在灌封单元130的硬度大于组装构件300的硬度的情况下，在组装时，灌封单元130的倾斜部132按压第二耦接部330的倾斜部322。

由于组装构件300的第二耦接部330的倾斜部和灌封单元130的倾斜部被彼此压接，所以与其他实施例相比，可以进一步提高气密密封性能。

另外，可以仅形成第二耦接部330的倾斜部322和灌封单元130的倾斜部132中的一个，但可以同时形成这两者。在这种情况下，倾斜部可以形成在组装构件300和灌封单元130中的具有较高硬度的任一个上，而具有较低硬度的另一个可以被倾斜部按压并且因此可变形而具有倾斜表面。

图24是示出根据本发明的第八实施例的膜加湿器的剖视图。根据第八实施例的膜加湿器与根据第四实施例的膜加湿器的不同之处在于，组装构件300还包括朝向灌封单元130延伸的肋335。

向内延伸以与灌封单元130的一个侧表面紧密接触的肋335形成在组装构件300的第二耦接部330处。肋335的截面形状可以是三角形，肋335的厚度朝其端部逐渐减小。

当膜加湿器被组装时，尽管压力值根据燃料电池系统的使用条件而变化，但是通常比大气压高的压力被施加于由盖壳体120、组装构件300和灌封单元130限定的空间。肋335可以通过压力而与灌封单元130的一个侧表面紧密接触，由此可以更可靠地实现它们之间的气密耦接。

第八实施例的组装构件300可以具有比第四实施例的组装构件300更高的硬度。换句话说，虽然在组装时组装构件在被按压时未发生很大的变形，但是第八实施例的组装构件300与灌封单元130之间的气密密封可以通过肋335而进一步改善。

此外，图24示出了组装后的状态。肋335的下表面可以形成为与灌封单元130的接触表面平行，或者可以形成为相对于灌封单元130的接触表面以规定角度倾斜。在肋335形成为倾斜的情况下，在组装时肋335可以通过灌封单元而变形，由此可以使肋与灌封单元130更紧密地接触。

图25是示出根据本发明的第九实施例的膜加湿器的剖视图。根据第九实施例的膜加湿器与根据第八实施例的膜加湿器的不同之处在于，第一耦接部320不包括第二延伸部。根据第九实施例的膜加湿器与根据第八实施例的膜加湿器的相同之处在于，组装构件300还包括平行于灌封单元130的一个侧表面延伸的肋335。

在第九实施例的情况下，组装构件300包括肋335，由此组装构件300和灌封单元130之间的硬度差可以小于第八实施例的情况中两者之间的硬度差。换句话说，虽然在组装时组装构件在被按压时未发生很大变形，但是第九实施例的组装构件300和灌封单元130之间的气密密封可以由于肋335而进一步改善。

组装构件300的第一耦接部320包括从主体310向外延伸的第一延伸部322，但是不包括从第一延伸部322的端部延伸以与中间壳体的外表面接触的第二延伸部。

其结果，在中间壳体110的端部111上未形成台阶部，并且端部111形成为具有规定厚度，并且被组装为按压第一延伸部322。此时，形成在盖壳体120的内表面上的突起123按压第一延伸部322，由此第一延伸部322可以在盖壳体120与中间壳体110的端部111之间可靠地执行气密耦接。

尽管以上已经描述了本发明的实施例，但是对于本发明所属领域的普通技术人员而言显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中记载的本发明的思想的前提下，可以通过添加、改变、删除或补充部件对本发明进行各种修改和改变，并且这种修改或改变落入本发明的权利要求的范围内。

工业应用性

根据本发明的各个实施例中的每一个实施例的包括组装构件的用于燃料电池的膜加湿器能够通过机械组装结构在高温/高压/高湿环境中执行气密密封功能。

此外，使用机械密封方法代替化学密封方法，由此可以省略常规化学密封方法中所需的聚氨酯/密封剂涂布和固化工序，因此可以缩短工作时间，以提高工作效率，并构建批量生产系统。

此外，当设置在膜加湿器中的单元盒有缺陷时，可再加工性优异，由此可以降低部件报废率。

此外，可以拆卸膜加湿器，可以仅更换有缺陷的盒，然后可以重新组装膜加湿器，由此，本发明在可再加工性和部件的再利用方面是有利的。

此外，可以使用两个可分离的组装构件或单个集成的组装构件对两个或多个部件之间同时执行气密耦接，由此制造和组装非常方便和有效。

Claims (20)

1.一种用于燃料电池的膜加湿器，所述膜加湿器包括：

中间壳体，所述中间壳体容纳多个中空纤维膜；

盖壳体，所述盖壳体耦接至所述中间壳体；

灌封单元，所述灌封单元形成在所述多个中空纤维膜的端部处，所述灌封单元与所述中间壳体间隔开；以及

组装构件，所述组装构件通过机械组装设置在所述盖壳体与所述中间壳体的端部之间以及所述中间壳体与所述灌封单元之间，其中，所述组装构件的至少一部分在所述机械组装期间被按压，以对所述盖壳体与所述中间壳体之间、所述盖壳体与所述灌封单元之间以及所述中间壳体与所述灌封单元之间同时执行气密耦接。

2.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述组装构件包括：第一密封单元，所述第一密封单元与所述盖壳体的内壁接触的同时被安装在所述中间壳体的所述端部上；以及第二密封单元，所述第二密封单元形成在所述第一密封单元内部并且包围所述灌封单元。

3.根据权利要求2所述的膜加湿器，其中，所述第一密封单元包括：第一密封体，所述第一密封体与所述盖壳体的所述内壁接触的同时被安装在所述中间壳体的所述端部上，所述第一密封体形成为具有托架形状；以及第一密封腿，所述第一密封腿形成为从所述第一密封体的一端向下延伸的同时与所述第二密封单元接触。

4.根据权利要求3所述的膜加湿器，其中，所述第一密封单元还包括延伸腿，所述延伸腿从所述第一密封腿的端部向内延伸，然后从所述第一密封腿的所述端部向上延伸，使得所述延伸腿包围所述第二密封单元。

5.根据权利要求3所述的膜加湿器，其中，所述第一密封单元还包括从所述第一密封体的另一端向下延伸的第二密封腿，所述第二密封腿与所述盖壳体的所述内壁和所述中间壳体的所述端部接触。

6.根据权利要求4所述的膜加湿器，其中，所述第一密封单元还包括从所述第一密封体的另一端向下延伸的第二密封腿，所述第二密封腿与所述盖壳体的所述内壁和所述中间壳体的所述端部接触。

7.根据权利要求3所述的膜加湿器，其中，所述第二密封单元包括：第二密封体，所述第二密封体形成为包围所述灌封单元；以及密封臂，所述密封臂插入到所述第一密封体中。

8.根据权利要求2和7中任一项所述的膜加湿器，其中，所述第一密封单元由软材料制成，并且所述第二密封单元由硬材料制成。

9.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述盖壳体包括：大直径部，所述大直径部耦接到所述中间壳体，所述大直径部的内径大于所述灌封单元的外径；以及小直径部，所述小直径部从所述大直径部的一个表面突出，所述小直径部的内径小于所述灌封单元的所述外径。

10.根据权利要求9所述的膜加湿器，其中，所述组装构件包括：

主体，所述主体设置在所述盖壳体、所述中间壳体和所述灌封单元之间；

第一耦接部，所述第一耦接部被压入在所述盖壳体与所述中间壳体的所述端部之间，以在所述盖壳体与所述中间壳体之间执行气密耦接；以及

第二耦接部，所述第二耦接部与所述灌封单元的一端接触，以在所述盖壳体与所述灌封单元之间执行气密耦接。

11.根据权利要求10所述的膜加湿器，其中，所述第一耦接部包括从所述主体向外延伸的第一延伸部。

12.根据权利要求11所述的膜加湿器，其中，所述第一耦接部还包括第二延伸部，所述第二延伸部从所述第一延伸部的端部延伸以与所述中间壳体的外表面接触。

13.根据权利要求12所述的膜加湿器，其中，在所述中间壳体的所述端部的外表面处设置有被配置成容纳所述第一耦接部的所述第二延伸部的台阶部。

14.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述盖壳体包括从所述盖壳体的表面突出的突起，所述表面面对所述中间壳体的所述端部。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的膜加湿器，其中，

所述组装构件的所述第二耦接部包括在所述第二耦接部的内表面处形成的倾斜部，并且

所述灌封单元包括在所述灌封单元的端部边缘处形成的倾斜部，所述灌封单元的所述倾斜部与所述第二耦接部的所述倾斜部接触。

16.根据权利要求10至14中任一项所述的膜加湿器，其中，所述组装构件的硬度小于所述灌封单元的硬度。

17.根据权利要求16所述的膜加湿器，其中，

所述多个中空纤维膜被容纳在盒中，并且

所述盒包括从所述盒的一端向外延伸的延伸肋，所述延伸肋被配置成支撑所述组装构件的一个表面。

18.根据权利要求10至14中任一项所述的膜加湿器，其中，所述组装构件的硬度大于所述灌封单元的硬度，并且小于所述中间壳体的硬度和所述盖壳体的硬度。

19.根据权利要求10至14中任一项所述的膜加湿器，其中，所述组装构件还包括向内延伸以加宽所述组装构件的与所述灌封单元接触的表面面积的肋。

20.根据权利要求19所述的膜加湿器，其中，所述组装构件的硬度大于所述灌封单元的硬度，并且小于所述中间壳体的硬度和所述盖壳体的硬度。