CN112072139A - 膜管、膜管制备方法、及新型的燃料电池加湿器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及膜管、膜管制备方法、及新型的燃料电池加湿器，包括膜管和加湿器，加湿器的第一帽和第二帽的上内壁上均设有安装盒，加湿体的外壳上设有与安装盒相应配合的多个套柱，安装盒的中心处均转动连接有向上延伸的转动杆，转动杆的顶端均固定连接有转动把手，转动杆的底端固定连接有悬空的齿轮，齿轮的两侧均啮合有齿条，齿条的一端通过两个反向延伸的连接件均固定连接有锁杆，在位于安装盒内的锁杆上均套接有复位弹簧。本发明实现了帽体与加湿体之间的稳定连接，且操作简单，同时膜管选择性让高湿度尾体中的水分进入其内壁，提高了尾气利用率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池加湿器技术领域，具体涉及一种膜管、膜管制备方法、及新型的燃料电池加湿器。
背景技术
燃料电池是通过结合氢和氧来产生电的电化学电池。与诸如干电池或蓄电池的一般化学电池不同，只要供应所需的氢和氧，燃料电池就可以连续产生电。此外燃料电池的效率高达内燃机效率的二倍。而且由于燃料电池将结合氢和氧结合产生的化学能直接转化为电能，因此燃料电池是环境友好的，并且能够在不担心矿物燃料耗尽的情况下进行工作。
如中国专利号CN201180017891.6，申请日为2011年03月29日的发明专利中公开了用于燃料电池的加湿器，其通过经由防止被引入膜外皮内的高湿度气体集中流向膜外皮中的特定区域来在所有中空纤维膜所在区域均匀地加湿，有助于增强加湿性能和降低维护成本，其中，加湿器包括膜外皮；用于将膜外皮的内部空间划分为多个单位空间的隔板；在每个单位空间中的多个中空纤维膜；以及安装在膜外皮的端部的盖，盖包括用于将从排气管排出的高湿度气体引入膜外皮的入口，在膜外皮中设置多个分配孔，分配孔分别与单位空间相对应。
但是现有加湿器的第一帽和第二帽在将加湿体覆盖后，没有很稳定的连接结构，容易发生帽体脱落的现象，从而导致装置散开影响其使用。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了膜管、膜管制备方法、及新型的燃料电池加湿器，能够有效地解决现有技术的现有加湿器的第一帽和第二帽在将加湿体覆盖后，没有很稳定的连接结构，容易发生帽体脱落的现象，从而导致装置散开影响其使用的问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
膜管，包括如下组分制备得到：磺酸树脂 30～60 wt％， 溶剂30~60 wt%，成孔剂0～10wt％；其中，所述溶剂为二甲基甲酰胺，和/或二甲基乙酰胺，所述成孔剂为聚乙二醇，和/或聚乙烯吡咯烷酮。
膜管在制备时，将所述磺酸树脂与所述溶剂，所述成孔剂的混合物，形成混合浆料； 将所述混合浆料经相转化纺丝，经凝固液凝固成型，再经清洗干燥后，即得所述膜管。
一种新型的燃料电池加湿器，包括膜管和加湿器，所述加湿器包括加湿体，所述加湿体的前后分别覆盖有第一帽和第二帽，所述第一帽和第二帽的上内壁上均设有安装盒，所述加湿体的外壳上设有与安装盒相应配合的多个套柱，所述安装盒的中心处均转动连接有向上延伸的转动杆，且转动杆均向上贯穿出第一帽和第二帽，所述转动杆的顶端均固定连接有转动把手，所述转动杆的底端固定连接有悬空的齿轮，所述齿轮的两侧均啮合有齿条，所述齿条的一端通过两个反向延伸的连接件均固定连接有锁杆，且锁杆的自由端呈现相反方向且贯穿出安装盒，在位于安装盒内的锁杆上均套接有复位弹簧，且复位弹簧的一端固定连接在连接件上，另一端固定连接在安装盒内壁上。
作为一种优选的技术方案，所述复位弹簧自然状态时，两侧的锁杆均伸到安装盒外。
作为一种优选的技术方案，所述齿条的非啮合面均与安装盒的内壁之间相互配合连接有导向块和导向槽。
作为一种优选的技术方案，所述加湿体的内腔设有多个膜管，且其均匀分布在加湿体的内部。
作为一种优选的技术方案，所述套柱上开设有横向的通孔，且通孔的直径大于锁杆的直径。
作为一种优选的技术方案，所述第一帽的前侧面上连通有第一出气筒，所述第二帽的后侧面上连通有第一进气筒。
作为一种优选的技术方案，所述加湿体左右两侧面上依次连通有第二出气筒和第二进气筒。
作为一种优选的技术方案，所述套柱两两一组对称分布在加湿体的顶面上，且套柱的通孔为左右方向贯穿。
作为一种优选的技术方案，所述加湿体的顶面前后对称设有凸起，且凸起的高度等于安装盒的高度。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过在第一帽和第二帽上均设有用于固定连接在加湿体上的安装盒，且安装盒内设计有传动结构，通过扭转转动把手可以使锁杆缩回，松开后使得锁杆穿进套柱的通孔内，帽体与加湿体安装连接地更加稳定，同时操作方便简单；本发明在传动机构的齿条上设有导向块，同时在安装盒的内壁上设有与导向块配合滑动的滑槽，对传动机构的移动起到了很好地导向作用；本发明通过在加湿体的内部设有多个均匀分布的膜管，此外膜管具有预定尺寸范围的微孔，能够选择性地允许在膜管外流动的高湿度气体中的水分进入膜管内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的立体注视图；
图2为本发明的安装盒内部构造图；
图3为本发明的加湿器爆炸图；
图中的标号分别代表：1-膜管；2-加湿器；201-加湿体；3-第一帽；4-第二帽；5-安装盒；6-套柱；601-通孔；7-转动杆；8-转动把手；9-齿轮；10-齿条；11-连接件；12-锁杆；13-复位弹簧；14-导向块；15-导向槽；16-第一出气筒；17-第一进气筒；18-第二进气筒；19-凸起；20-第二出气筒。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本实施例的一种新型的燃料电池加湿器，参照图1-3：包括膜管1和加湿器2，加湿器2包括加湿体201，加湿体201的前后分别覆盖有第一帽3和第二帽4，第一帽3和第二帽4的上内壁上均设有安装盒5，加湿体201的外壳上设有与安装盒5相应配合的多个套柱6，安装盒5的中心处均转动连接有向上延伸的转动杆7，且转动杆7均向上贯穿出第一帽3和第二帽4，转动杆7的顶端均固定连接有转动把手8，转动杆7的底端固定连接有悬空的齿轮9，齿轮9的两侧均啮合有齿条10，齿条10的一端通过两个反向延伸的连接件11均固定连接有锁杆12，且锁杆12的自由端呈现相反方向且贯穿出安装盒5，在位于安装盒5内的锁杆12上均套接有复位弹簧13，且复位弹簧13的一端固定连接在连接件11上，另一端固定连接在安装盒5内壁上。
其中，复位弹簧13自然状态时，两侧的锁杆12均伸到安装盒5外，使得复位弹簧13在复位时能够将锁杆12穿进套柱6的通孔601内，齿条10的非啮合面均与安装盒5的内壁之间相互配合连接有导向块14和导向槽15，使得传动机构的在移动的时候更加具有方向性，加湿体201的内腔设有多个膜管1，且其均匀分布在加湿体201的内部，选择性地让高湿度气体中的水分通过膜管壁进入膜管1内，套柱6上开设有横向的通孔601，且通孔601的直径大于锁杆12的直径，方便锁杆12穿在套柱6上，增加了锁死时的稳定性，第一帽3的前侧面上连通有第一出气筒16，第二帽4的后侧面上连通有第一进气筒17，加湿体201的右侧面上连通有第二进气筒18，加湿体201的左侧面上连通有第二出气筒20，两两组合形成两个独立的气体通道，套柱6两两一组对称分布在加湿体201的顶面上，且套柱的通孔为左右方向贯穿，加湿体201的顶面前后对称设有凸起19，且凸起19的高度等于安装盒5的高度，使得加湿体201在安装后不会出现晃动。
使用时，当待供应到燃料电池的干燥反应气体经由第一进气筒17流入加湿器2时，从尾气排气管排出的高湿度气体经由第二进气筒18流入加湿体201内，由于膜管1的管壁内外部之间的湿度差，高湿度气体的水分选择性地透过膜管1的管壁，然后水分被供应到流过膜管1的干燥反应气体，使其充分润湿，最后经由第二出气筒20供应到燃料电池内，进而有效地利用燃料电池的尾气中所含有的水分和热量。
此外，加湿器2由一个加湿体201和两个相互配合覆盖住加湿体201的帽体形成，当需要将帽体安装到加湿体201的时候，直接将第一帽3的空腔从加湿体201的前侧套入，当第一帽3的内壁上的安装盒5快接近加湿体201上的套柱6时，用手扭动转动把手8，使得转动把手8带动转动杆7上的齿轮9开始转动，进而迫使齿轮9两侧啮合的齿条10发生相对移动，将两侧穿出安装盒5的锁杆12缩回，同时使得两侧复位弹簧13被拉伸，保持转动把手8的位置，然后继续移动第一帽3并将锁杆12对准套柱上的通孔601，对齐好时，撤走施加在转动把手8上的外力，由于复位弹簧13的恢复力，使得齿条10发生相背移动，同时带动锁杆12恢复到原来的位置，且锁杆12穿过套柱6的通孔601。在齿条10移动的时候，安装盒5的内壁上设有与齿条10上的导向块14配合滑动的导向槽15，对传动机构的移动起到了很好地导向作用。重复上述操作步骤，使得第二帽4锁在加湿体201的后侧，增加了帽体安装时的稳定性，防止出现滑落现象，影响加湿器2工作；同时，为了增加稳定性和密封性，在第二帽4和第一帽3与加湿体两端面的连接处设置有密封垫片，以防止干燥气体流通回路漏气。
另外，质子交换膜目前在燃料电池领域得到了广泛应用，并对燃料电池的工作性能具有很重要的影响。质子交换膜燃料电池的膜电极目前广泛使用的是美国杜邦公司生产的Nafion全氟磺酸膜，这类全氟磺酸膜具有质子导电性好，耐腐蚀性强，寿命长等优点。而且要保证其良好的质子导电率，必须提供足够适量的水分。因此，为了保证质子交换膜含有适量的水分，燃料电池系统中专门增设了增湿环节，增湿效果的好坏很大程度上决定了燃料电池乃至汽车整车的工作性能。现今燃料电池系统中普遍使用的膜管式气体增湿器，使用的膜管材料也主要是Nafion全氟磺酸膜，它具有优异的水传导特性的同时，高昂的价格成本及含氟材料带来的环境问题等难以解决。因此，寻找价格低廉，在较宽温度范围内具有高水热传导率，优良的热及化学稳定性的新型膜材料是当前的重要研究方向。
而本发明采用的膜管，其主要成分为磺酸树脂，更详细的说，膜管包括如下组分制备得到：磺酸树脂 30～60 wt％， 溶剂30~60 wt%，成孔剂0～10 wt％；其中，所述溶剂为二甲基甲酰胺，和/或二甲基乙酰胺，所述成孔剂为聚乙二醇，和/或聚乙烯吡咯烷酮，在制备时，将所述磺酸树脂与所述溶剂，所述成孔剂的混合物，形成混合浆料； 将所述混合浆料经相转化纺丝，经凝固液凝固成型，再经清洗干燥后，即得所述膜管。
在本实施例中，膜管组分为：磺酸树脂 30wt％、溶剂60 wt%、成孔剂10wt％；将磺酸树脂、二甲基甲酰胺、聚乙二醇按重量百分数比在纺丝罐内混合后，在室温下搅拌溶解12小时至混合物混合均匀，静置脱泡，在纺丝罐压力为 0.05MPa条件下，再经纺丝成型喷丝装置的喷头匀速挤出，随后浸入到室温下的凝固液中成型。其中，凝固液为纯水或者纯水与醇的混合液，醇包括甲醇、乙醇、异丙醇、正丙醇中的任一种或两种以上的组合，但不限于此。本实施例中的凝固液为纯水凝固液。
将制得的膜管先后经 60℃热水与乙醇分别浸泡8和3小时后，后在 60℃下干燥即可。
本实施例制备得到的膜管，管径为0.5～2mm，管壁厚度0.01～0.05mm，孔径0.01～0.10µm。
而且，本发明采用富含亲水性磺酸基团的磺酸树脂作为成膜材料，具有良好的水传导特性，能够充分满足燃料电池膜管增湿器对增湿性能的要求；该膜管在80～100℃仍有较好的保水性，性能与全氟磺酸树脂膜相当，同时其制备工艺简单，成本低廉，安全环保，可广泛用于氢燃料电池、甲醇燃料电池等清洁能源的气体增湿领域。成孔剂的添加进一步提高了膜管的水分透过率，提高了膜管增湿器的增湿能力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.膜管，其特征在于：包括如下组分制备得到：磺酸树脂 30～60 wt％， 溶剂30~60wt%，成孔剂0～10 wt％；其中，所述溶剂为二甲基甲酰胺，和/或二甲基乙酰胺，所述成孔剂为聚乙二醇，和/或聚乙烯吡咯烷酮。
2.制备如权利要求1所述膜管的方法，其特征在于：包括如下步骤：将所述磺酸树脂与所述溶剂、所述成孔剂的混合物，形成混合浆料； 将所述混合浆料经相转化纺丝，经凝固液凝固成型，再经清洗干燥后，即得所述膜管。
3.一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于：包括如权利要求1所述的膜管（1）和加湿器（2），所述加湿器（2）包括加湿体（201），所述加湿体（201）的前后分别覆盖有第一帽（3）和第二帽（4），所述第一帽（3）和第二帽（4）的上内壁上均设有安装盒（5），所述加湿体（201）的外壳上设有与安装盒（5）相应配合的多个套柱（6），所述安装盒（5）的中心处均转动连接有向上延伸的转动杆（7），且转动杆（7）均向上贯穿出第一帽（3）和第二帽（4），所述转动杆（7）的顶端均固定连接有转动把手（8），所述转动杆（7）的底端固定连接有悬空的齿轮（9），所述齿轮（9）的两侧均啮合有齿条（10），所述齿条（10）的一端通过两个反向延伸的连接件（11）均固定连接有锁杆（12），且锁杆（12）的自由端呈现相反方向且贯穿出安装盒（5），在位于安装盒（5）内的锁杆（12）上均套接有复位弹簧（13），且复位弹簧（13）的一端固定连接在连接件（11）上，另一端固定连接在安装盒（5）内壁上。
4.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述复位弹簧（13）自然状态时，两侧的锁杆（12）均伸到安装盒（5）外。
5.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述齿条（10）的非啮合面均与安装盒（5）的内壁之间相互配合连接有导向块（14）和导向槽（15）。
6.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述加湿体（201）的内腔设有多个膜管（1），且其均匀分布在加湿体（201）的内部。
7.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述套柱（6）上开设有横向的通孔（601），且通孔（601）的直径大于锁杆（12）的直径。
8.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述第一帽（3）的前侧面上连通有第一出气筒（16），所述第二帽（4）的后侧面上连通有第一进气筒（17），所述加湿体（201）的左右侧面上依次连通有第二出气筒（20）和第二进气筒（18）。
9.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述套柱（6）两两一组对称分布在加湿体（201）的顶面上，且套柱的通孔为左右方向贯穿。
10.根据权利要求1所述的一种新型的燃料电池加湿器，其特征在于，所述加湿体（201）的顶面前后对称设有凸起（19），且凸起（19）的高度等于安装盒（5）的高度。
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