CN112201808A - 一种用于燃料电池的水热交换装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于燃料电池的水热交换装置的水热交换膜组件，其特征在于，所述水热交换膜组件包括至少一个水热交换膜组件单元，所述的水热交换膜组件单元包括叠放并复合成型的五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料，将所有的水热交换膜组件成对叠放后，放在烘箱内可以一次完成水热交换装置主体的成型和密封，具有简单高效的优点，适合批量化生产。

Description

一种用于燃料电池的水热交换装置

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，特别涉及一种用于燃料电池的水热交换装置。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效、长寿命的发电装置。与常规发电技术相比，燃料电池在效率、安全性、可靠性、灵活性、清洁型、操作性能等方面有很大的优势，应用前景十分广阔。

许多燃料电池使用内部膜，如包括质子交换膜(也称为聚合物电解质膜)的PEM型燃料电池。为了在较高的效率范围内运行，希望将膜保持在潮湿情况。保持膜的湿度有助于避免膜的损害或寿命缩短，以及保持希望的操作效率。膜的较低的水含量导致较高的质子传导电阻，从而导致较高的欧姆电压损失。进气(尤其是阴极进口处)的增湿是有益的，可以让膜保持足够的含水量。

现有技术中的用于燃料电池的水热交换装置的结构复杂，需要采用紧固件和密封件，一方面导致成本上升，另一方面这些紧固件和密封件也容易导致一些缺陷，导致使用寿命缩短。

因此，本领域急需开发一种结构简单且具有长使用寿命的用于燃料电池的水热交换装置。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于燃料电池的水热交换装置，所述水热交换装置结构简单且具有长使用寿命。

本申请提供了一种用于燃料电池的水热交换装置的水热交换膜组件，所述水热交换膜组件包括至少一个水热交换膜组件单元，所述的水热交换膜组件单元包括叠放并复合成型的五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料。

在另一优选例中，所述的五合一膜片结构和支撑骨架是交替叠放的。

在另一优选例中，所述的水热交换膜组件包括叠放在一起的一个五合一膜片结构和一个支撑骨架。

在另一优选例中，所述的水热交换膜组件包括叠放在一起的两个五合一膜片结构、和位于所述两个五合一膜片结构的一个支撑骨架。

在另一优选例中，在所述的一个支撑骨架所隔开的两个五合一膜片结构之间，设有气体流动通道。

在另一优选例中，所述的气体流动通道为排气流道、或进气流道。

在另一优选例中，相邻的排气流道和进气流道是互为逆向的。

在另一优选例中，在所述水热交换膜的两侧(即两个主表面侧)分别流经排气和进气。

在另一优选例中，所述的水热交换膜组件包括交替叠放的2N+1个五合一膜片结构和2N个支撑骨架，其中N为≥1的正整数。

在另一优选例中，所述的水热交换膜组件包括交替叠放的2N个五合一膜片结构和2N+1个支撑骨架，其中N为≥1的正整数。

在另一优选例中，在所述水热交换膜的表面或空隙内填充有树脂。

在另一优选例中，所述树脂包括但不限于磺酸树脂、或全氟磺酸树脂。

在另一优选例中，所述水热交换膜组件为板式结构。

在另一优选例中，所述五合一膜片结构的厚度为0.4mm-0.6mm。

在另一优选例中，所述五合一膜片结构还包括由所述第一和/或第二热熔胶层形成的密封边框。

在另一优选例中，所述第一或第二热熔胶层、第一或第二支撑网层和水热交换膜的面积之比为(0.1-0.3)：1.0：(0.6-0.9)。

在另一优选例中，所述第一和第二热熔胶层设置在所述支撑网层的四周。

在另一优选例中，所述第一热熔胶层和第二热熔胶层是相同的。

在另一优选例中，所述水热交换膜选自下组：膨体聚四氟乙烯薄膜、超高分子聚乙烯薄膜。

在另一优选例中，所述第一和/或第二支撑网层的网孔在5目-500目之间。

在另一优选例中，所述第一支撑网层和所述第二支撑网层是相同的。

在另一优选例中，所述第一和/或第二支撑网层的形式为编织网或双向拉伸网。

在另一优选例中，所述第一和/或第二支撑网层的材质选自下组：尼龙、PVC和PET。

在另一优选例中，所述支撑骨架为长方体的纵横交错的骨架结构。

在另一优选例中，所述支撑骨架为塑料材质，通过注塑形成。

在另一优选例中，在所述支撑骨架的纵横交错点上设有支撑点，相邻支撑点的间距在5-20mm之间。

在另一优选例中，所述支撑骨架的厚度为1-3mm，优选的2mm。

在另一优选例中，所述支撑骨架上设有供气体进出的入口结构和出口结构，所述入口结构和所述出口结构设置在所述支撑骨架的对角处，所述入口结构和所述出口结构与相邻的五合一膜片结构配合形成了气体流动通道的入口或出口。

本申请还提供了一种用于燃料电池的水热交换装置，所述水热交换装置包括一个或多个上述任一项所述的水热交换膜组件。

在另一优选例中，水热交换膜组件单元的相邻的两个支撑骨架沿相反的方向叠放，使得相邻的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。

在另一优选例中，所述水热交换装置包括20-200个五合一膜片结构。

在另一优选例中，所述水热交换装置的高度为10-100cm，较佳地20cm-50cm。

本申请还提供了一种燃料电池系统，所述的系统包括燃料电池单元、以及与所述燃料电池单元相连的上述的用于燃料电池的水热交换装置。

本申请还提供了一种上述的水热交换膜组件的制备方法，包括以下步骤：

(a)提供一叠放结构，所述叠放结构中包括多个叠放结构单元，每个所述叠放结构单元包括叠放在一起五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料；

(b)对所述叠放结构进行加热，使得叠放结构中的热熔胶熔化；和

(c)对所述叠放结构进行降温，从而使熔化的热熔胶固化，从而形成权利要求1所述的水热交换膜组件。

在另一优选例中，在步骤(b)中，加热至温度T1，所述T1为热熔胶的熔点±10℃，较佳地T1为热熔胶的熔点。

在另一优选例中，在步骤(b)中，包括步骤：将所述叠放结构进行夹紧，然后对加紧的叠放结构进行加热。

在另一优选例中，相邻的两个叠放结构单元的支撑骨架沿相反的方向叠放，使得相邻的两个支撑骨架的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。

在另一优选例中，在步骤(c)，降温至室温。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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。应理解，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施实例，本领域的普通技术人员，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实施实例。

图1是根据本申请的五合一膜片结构的俯视图；

图2是根据本申请的支撑骨架的俯视图；

图3是根据本申请的用于燃料电池的水热交换装置的剖视图；

图4是根据本申请的五合一膜片结构的剖视图；

图5是根据本申请的五合一膜片结构的支撑网层的俯视图。

各附图中，各标识如下：

1-水热交换膜组件单元

10-五合一膜片结构

11-水热交换膜

121-第一支撑网层

122-第二支撑网层

13-热熔胶层

131-第一热熔胶层

132-第二热熔胶层

14-密封边框

20-支撑骨架

21-支撑点

22-入口结构

23-出口结构

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种结构新颖的用于燃料电池的水热交换装置，该装置结构简单，无须使用薄板，直接用热熔胶代替薄板，其中水可渗透的薄膜被两层热熔胶膜包裹在中间。在制备时，通过两组不同方向的热熔胶片叠在一起，然后通过烘烤，可以实现整体融合，使得水可渗透的薄膜与热熔胶形成整体结构，不仅结构更为紧固，并且水热交换效率更高。另外，本发明用于燃料电池的水热交换装置在工作时，可高效地将燃料电池膜保持在潮湿状况，而且使用寿命长。

本发明的主要优点

(a)本申请的水热交换装置将所有五合一膜片结构和支撑骨架层叠后，通过热熔胶实现了连接与密封，未使用紧固件和密封件。

(b)本申请的水热交换装置中的细密的网和骨架中的支撑点对水热交换膜形成了良好的支撑，可以承受2bar以内的压差。

(c)本申请的水热交换装置结构简单，空间利用率高，制造成本低，适合批量化生产。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

术语

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

在本发明中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

五合一膜片的结构：

本发明的五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二热熔胶层和第二支撑网层，第一和/或第二支撑网层与水热交换膜通过热熔胶层粘结在一起。也就是说，中间层是水热交换膜，与中间层水热交换膜紧贴的两面是支撑网。优选地，热熔胶层、支撑网层和水热交换膜的面积之比为(0.1-0.3)：1.0：(0.6-0.9)，因为不同规格的增湿器形状会有不同。优选的，所述热熔胶层设置在所述支撑网层的四周。

本申请的五合一膜片结构并不是只有五层，而是在热压复合后之后为五层结构。五合一膜片结构可以是从上至下依次包括第一热熔胶层、第一支撑网层、第二热熔胶层水热交换膜、第三热熔胶层、第二支撑网层、第四热熔胶层。

水热交换膜为柔性多孔材料，包括但不限于膨体聚四氟乙烯薄膜，超高分子聚乙烯薄膜等，其表面或孔隙内填充了树脂，树脂包括但不限于全氟磺酸树脂，使得该层薄膜具有透水不透气的功能。

优选地，第一和/或第二支撑网层是相同的；第一和/或第二支撑网层的网孔从5目-500目，优选地15目-50目，形式为编织网或双向拉伸网，材质包括但不限于尼龙，PVC，PET等。

五合一膜片结构用热熔胶组合在一起，热熔胶除了将水热交换膜与支撑网粘结在一起，热熔胶还形成了具有一定厚度的边框。五合一膜结构的厚度在0.4mm-0.6mm的范围内。

支撑骨架:

支撑骨架是塑料材质，注塑形成，厚度1-3mm，优选的2mm，中间有网状支撑点，支撑点的间距5-20mm。支撑骨架上设有供气体进出的入口结构和出口结构，所述入口结构和所述出口结构设置在所述支撑骨架的对角处，所述入口结构和所述出口结构与相邻的五合一膜片结构配合形成了气体流动通道的入口或出口。

用于燃料电池的水热交换装置的水热交换膜组件

水热交换膜组件包括至少一个水热交换组件单元，水热交换组件单元包括叠放并复合成型的五合一膜片结构和支撑骨架。其中，所述的五合一膜片结构和支撑骨架是交替叠放的，在所述的一个支撑骨架所隔开的两个五合一膜片结构之间，设有气体流动通道。气体流动通道为排气流道、或进气流道。

水热交换膜组件可以包括叠放在一起的一个五合一膜片结构和一个支撑骨架。水热交换膜组件可以包括叠放在一起的两个五合一膜片结构、和位于所述两个五合一膜片结构的一个支撑骨架。优选的，水热交换膜组件为板式结构。

优选地，水热交换膜组件可以包括交替叠放的2N+1个五合一膜片结构和2N个支撑骨架，其中N为≥1的正整数。

优选地，水热交换膜组件可以包括交替叠放的2N个五合一膜片结构和2N+1个支撑骨架，其中N为≥1的正整数。

用于燃料电池的水热交换装置

水热交换装置包括多个叠放在一起的水热交换膜组件，其中，相邻的两个水热交换膜组件单元的支撑骨架沿相反的方向叠放，使得相邻的两个支撑骨架的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。

优选的，所述水热交换装置包括20-200个水热交换膜组件单元。

优选的，所述水热交换装置的高度为20cm-50cm。

燃料电池系统

本申请的燃料电池系统包括燃料电池单元、以及与所述燃料电池单元相连的上述的用于燃料电池的水热交换装置。

水热交换膜组件的制备方法：

(a)提供一叠放结构，所述叠放结构中包括多个叠放结构单元，每个所述叠放结构单元包括叠放在一起五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料；

(b)对所述叠放结构进行加热，使得叠放结构中的热熔胶熔化；和

(c)对所述叠放结构进行降温，从而使熔化的热熔胶固化，从而形成权利要求1所述的水热交换膜组件。

优选地，在步骤(b)中，加热至温度T1，所述T1为热熔胶的熔点±10℃，较佳地T1为热熔胶的熔点。

优选地，在步骤(b)中，包括步骤：将所述叠放结构进行夹紧，然后对加紧的叠放结构进行加热。

优选地，相邻的两个叠放结构单元的支撑骨架沿相反的方向叠放，使得相邻的两个支撑骨架的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。

优选地，在步骤(c)，降温至室温。

实施例1

参考图1-5，本发明提供了一种用于燃料电池的水热交换装置，该水热交换装置包括多个水热交换膜组件，水热交换膜组件包括多个水热交换膜组件单元1，优选地，该水热交换膜组件为板式结构；

水热交换膜组件单元1包括叠放在一起的3个五合一膜片结构10和2个支撑骨架20，其中，五合一膜片结构10和支撑骨架20是交替叠放的。其中，在一个支撑骨架所隔开的两个五合一膜片结构之间，设有气体流动通道。具体地，支撑骨架20上设有供气体进出的入口结构22和出口结构23，入口结构22和出口结构23设置在支撑骨架20的对角处，入口结构22和出口结构23与相邻的五合一膜片结构配合形成了气体流动通道的入口或出口。其中，气体流动通道为排气流道、或进气流道。相邻的排气流道和进气流道是互为逆向的。也就是说，水热交换膜组件单元1的相邻的两个支撑骨架沿相反的方向叠放，使得相邻的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。

该五合一膜片结构10从上至下依次包括：第一热熔胶层131、第一支撑网层121、水热交换膜11、第二支撑网层122和第二热熔胶层132，其中，第一和/或第二支撑网层与水热交换膜通过第一和/或第二热熔胶层粘结在一起，水热交换膜11为透水不透气的柔性多孔材料，包括但不限于膨体聚四氟乙烯薄膜或超高分子聚乙烯薄膜；在其他实施中，该五合一膜片结构1从上至下依次包括第一热熔胶层、第一支撑网层、第二热熔胶层水热交换膜、第三热熔胶层、第二支撑网层、第四热熔胶层也就是说，本发明的五合一膜片结构并不是只有五层，而是在热压复合后之后为五层结构。

其中，第一热熔胶层131和第二热熔胶层132是相同的，第一支撑网层121和第二支撑网层122是相同的，第一和/或第二热熔胶层、第一和/或第二支撑网层和水热交换膜的面积之比为(0.1-0.3)：1.0：(0.6-0.9)，因为不同规格的增湿器形状会有不同，所以水热交换膜大小可能不同。该热熔胶层13不仅将支撑网层与水热交换膜11粘结在一起，还在支撑网层的外围形成具有一定厚度的密封边框14。

在水热交换膜的两侧(即两个主表面侧)分别流经排气和进气。在水热交换膜11的表面或空隙内填充有树脂，该树脂包括但不限于全氟磺酸树脂。支撑网层(第一支撑网层121和/或第二支撑网层122)的形式为编织网或双向拉伸网，支撑网层(第一支撑网层121和/或第二支撑网层122)的网孔在5目-500目之间，第一和/或第二支撑网层的材质可以是尼龙、PVC或PET。

在本实施例中，支撑骨架20为长方体的纵横交错的骨架结构，支撑骨架为塑料材质，通过注塑形成，在所述支撑骨架20的纵横交错点上设有支撑点21，优选地，相邻支撑点21的间距在5-20mm之间，支撑骨架20的厚度为1-3mm。

制备用于燃料电池的水热交换装置方法具体如下，叠放2N+1个五合一膜片结构10和2N个支撑骨架20(N为自然数，根据需求选择N的大小)，其中，相邻的两个支撑骨架20沿相反的方向叠放，使得相邻的两个支撑骨架的气体流动通道为交叉的两个独立的气体流动通道。也就是说，支撑骨架20两侧与五合一膜片结构10复合后，支撑骨架20内部就形成一个封闭的通道；然后将另一块支撑骨架20反向叠加，并复合一块五合一膜片结构10，就形成交叉的两个独立流动通道，即，奇数片的支撑骨架20放置为同一方向，但偶数片的支撑骨架20相对于其相邻的奇数片的支撑骨架20翻转放置(沿相反的方向)；这样正反叠加下去，从而形成两路层层交互的气体通道组。然后用夹紧工具将上述多个叠放的水热交换膜组件夹紧，然后放入烘箱加温至热熔胶的熔点，最后降至室温，从而形成用于燃料电池的水热交换装置。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的水热交换装置的水热交换膜组件，其特征在于，所述水热交换膜组件包括至少一个水热交换膜组件单元，所述的水热交换膜组件单元包括叠放并复合成型的五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料。

2.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，在所述的一个支撑骨架所隔开的两个五合一膜片结构之间，设有气体流动通道。

3.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，所述的水热交换膜组件包括交替叠放的2N+1个五合一膜片结构和2N个支撑骨架，其中N为≥1的正整数。

4.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，所述五合一膜片结构还包括由所述第一和/或第二热熔胶层形成的密封边框。

5.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，所述第一或第二热熔胶层、第一或第二支撑网层和水热交换膜的面积之比为(0.1-0.3)：1.0：(0.6-0.9)。

6.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，所述水热交换膜选自下组：膨体聚四氟乙烯薄膜、超高分子聚乙烯薄膜。

7.如权利要求1所述的水热交换膜组件，其特征在于，所述支撑骨架上设有供气体进出的入口结构和出口结构，所述入口结构和所述出口结构设置在所述支撑骨架的对角处，所述入口结构和所述出口结构与相邻的五合一膜片结构配合形成了气体流动通道的入口或出口。

8.一种用于燃料电池的水热交换装置，其特征在于，所述水热交换装置包括一个或多个权利要求1－7中任一项所述的水热交换膜组件。

9.一种燃料电池系统，其特征在于，所述的系统包括燃料电池单元、以及与所述燃料电池单元相连的权利要求8所述的用于燃料电池的水热交换装置。

10.一种权利要求1所述的水热交换膜组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)提供一叠放结构，所述叠放结构中包括多个叠放结构单元，每个所述叠放结构单元包括叠放在一起五合一膜片结构和支撑骨架；所述五合一膜片结构从上至下依次包括：第一热熔胶层、第一支撑网层、水热交换膜、第二支撑网层和第二热熔胶层，所述第一和第二支撑网层与水热交换膜通过所述第一和第二热熔胶层粘结在一起，并且所述水热交换膜为透水不透气的柔性多孔材料；

(b)对所述叠放结构进行加热，使得叠放结构中的热熔胶熔化；和

(c)对所述叠放结构进行降温，从而使熔化的热熔胶固化，从而形成权利要求1所述的水热交换膜组件。

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