CN113226522B - 包括多通道中空纤维膜的用于燃料电池的膜加湿器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于燃料电池的膜加湿器，包括具有多个多种尺寸的通道的多通道中空纤维膜，因此在高流速的情况下能够保持加湿性能，在低流速的情况下加湿性能降低，从而防止溢流。根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器包括：中壳，多个中空纤维膜容纳在中壳中；盖壳，耦接到中壳；以及固定单元，多个中空纤维膜的端部被罐封在固定单元中，其中，中空纤维膜的每一个中形成多条通道，并且多条通道的直径中的最大直径和最小直径之差为30μm至600μm。
Description
技术领域
本公开涉及一种包括多通道中空纤维膜的用于燃料电池的膜加湿器，更具体地，涉及一种用于燃料电池的膜加湿器，包括具有多种尺寸的通道的多通道中空纤维膜，从而在高流速状态下保持加湿性能，并且在低流速状态下降低加湿性能，由此能够防止溢流。
背景技术
燃料电池是将氢和氧结合以发电的发电单元。这种燃料电池的优点在于，与一般的化学电池(例如干电池或蓄电池)不同，只要供应氢和氧，便能够持续发电，并且没有热损耗，从而燃料电池的效率约为内燃机的效率的两倍高。
另外，燃料电池将氢和氧结合产生的化学能直接转换成电能，从而排放的污染物的量很小。因此，燃料电池的优点在于，燃料电池对环境无害，并且可以减小对由于能耗的增加而导致资源枯竭的担忧。
基于所使用的电解质的种类，这种燃料电池一般可以分类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)。
这些燃料电池以相同的原理进行基本的工作，然而所使用的燃料的种类、工作温度、催化剂以及电解质彼此不同。在这些燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池被认为是对于运输系统和小型固定式发电设备最有利的，因为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)以比其它燃料电池低的温度工作并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，从而能够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(PEMFC)的性能的一个最重要的因素是对膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)供应预定量或更多的湿气，以保持湿气含量。其原因是，在聚合物电解质膜或质子交换膜干燥的情况下，发电效率锐减。
使用如下方法作为对聚合物电解质膜或质子交换膜加湿的方法，1)喷水器(bubbler)加湿方法，向耐压容器充入水，并且使靶气通过扩散器以便供应湿气，2)直接注入方法，计算燃料电池反应必须供应的湿气量，并将湿气通过电磁阀直接供应到气流管，以及3)加湿膜方法，使用聚合物分离膜将湿气供应到气流化床。
在这些方法中，加湿膜方法使用被配置成仅选择性透过废气中包含的水蒸气的膜，将水蒸气提供至供应到聚合物电解质膜或质子交换膜的气体，以对聚合物电解质膜或质子交换膜加湿，其优点在于，能够减小加湿器的重量和尺寸。
在形成组件的情况下，每单位体积具有大的透过面积的中空纤维膜适用于在加湿膜方法中使用的选择性渗透膜。即，在使用中空纤维膜制造膜加湿器的情况下，具有大的接触表面面积的中空纤维膜能够具有高集成度，从而即使在小容量的情况下也能够充分加湿燃料电池，能够使用廉价材料，并且能够收集从高温的燃料电池排出的废气中包含的湿气和热量，并通过加湿器回收收集的湿气和热量。
膜加湿器向燃料电池堆供应湿气，以帮助堆顺利地发电。在低流速状态下供应过量湿气的情况下，湿气可能被冷凝，从而堆中的流道可能被阻塞，因此，堆的一部分可能劣化。
因此，在需要大量湿气的高流速时段中供应大量湿气并且在需要少量湿气的低流速时段中供应少量湿气是必要的。
[相关专利文献]
1、韩国注册专利第10-0750289号
2、韩国注册专利第10-1848817号
发明内容
技术问题
本公开的一个目的是提供一种用于燃料电池的膜加湿器，包括具有多种尺寸的通道的多通道中空纤维膜，从而在高流速状态下保持加湿性能，并且在低流速状态下降低加湿性能，因此能够防止溢流。
技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种用于燃料电池的膜加湿器，膜加湿器包括：中壳，多个中空纤维膜容纳在中壳中；盖壳，耦接到中壳；以及固定单元，多个中空纤维膜的端部被罐封(potted)在固定单元中，其中，中空纤维膜的每一个中形成多条通道，多条通道的直径中的最大直径与最小直径之差为30μm至600μm。
中空纤维膜的每一个可以具有1000μm至5000μm的外径。
多条通道的每一个可以具有300μm至1300μm的直径。
中空纤维膜的每一个的外周面与中空纤维膜的每一个的通道之间的最短距离可以为60μm至500μm。
中空纤维膜的每一个的多条通道的截面面积之和可以为中空纤维膜的截面面积的40％至90％。
有益效果
根据本公开，各自具有多个多种尺寸的通道的中空纤维膜被应用于用于燃料电池的膜加湿器，从而在低流速时段中，流体由于压差仅流动经过大尺寸的通道，从而湿气传输效率降低，因此防止溢流，并且在高流速时段中，大尺寸通道和小尺寸通道两者用于湿气传输，从而实现足够的湿气传输。
另外，在每个中空纤维膜中形成多条通道，从而中空纤维膜的厚度可以大于其中形成有单条通道的中空纤维膜的厚度，因此可以提高中空纤维膜的强度和耐用性。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解透视图。
图2是根据本公开的另一个实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解透视图。
图3是根据本公开的实施例的中空纤维膜的剖视图。
图4是根据比较例的中空纤维膜的剖视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，根据本公开的用于燃料电池的膜加湿器100包括中壳110、盖壳120、固定单元130以及中空纤维膜束200。
中壳110耦接到盖壳120，以限定膜加湿器100的外观。中壳110和盖壳120的每一个可以由例如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。中壳110和盖壳120的每一个的横截面形状如图1所示可以为圆形，或者如图2所示其横截面形状可以为多边形。多边形可以为矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，并且多边形的角可以是圆形的。另外，圆形可以为椭圆形。
中壳110设置有第二流体入口112和第二流体出口113，第二流体通过第二流体入口112引入，第二流体通过第二流体出口113排出。
在图1和图2中，多个中空纤维膜210示出为以单个中空纤维膜束200的形式设置在中壳110中。或者，中空纤维膜210可以单独容纳在中壳110中插入的两个以上的盒体中。
盖壳120设置有流体入口/出口121。在分别耦接到中壳110的相对端的盖壳120的一个中形成的流体入口/出口121为第一流体入口，并且在另一个盖壳中形成的流体入口/出口121为第一流体出口。通过用作第一流体入口的流体入口/出口121引入的第一流体穿过在中壳110中容纳的中空纤维膜210的内部管道(即内腔)，然后通过用作第一流体出口的流体入口/出口121排出。
中空纤维膜210例如可以由全氟磺酸(Nafion)、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、聚苯砜、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)或其两种以上的混合物形成。
中空纤维膜210的端部被罐封在固定单元130中。固定单元130在将中空纤维膜210彼此结合的同时，填充中空纤维膜210之间的间隙和中空纤维膜210与中壳110之间的间隙。因此，中壳110的相对端的每一个被固定单元130阻挡，从而其中限定了被配置为使第二流体通过的流道。固定单元130由已知材料形成，并且在本说明书中将省略其详细描述。
图3是根据本公开的实施例的中空纤维膜210的剖视图，图4是根据比较例的中空纤维膜220的剖视图。
根据本发明，在中空纤维膜210中形成多条通道211、212、213以及214，并且多条通道211、212、213以及214的直径D1、D2、D3以及D4中的最大直径D1和最小直径D4之间的差为30μm至600μm。
即，根据本发明，多条通道211、212、213以及214中的至少一个的直径与其他通道的直径不同，这种直径差为30μm至600μm。
如图3所示，根据本公开的实施例的中空纤维膜210可以具有尺寸不同的四条通道211、212、213以及214。在中空纤维膜210中形成的通道的数量不限于4，在中空纤维膜中可以形成2至12条通道。如上文所述，即使形成不同数量的通道，然而，多条通道的至少一条的直径与其他通道的直径不同，这种直径差为30μm至600μm。例如，中空纤维膜的多条通道可以包括具有相对大的第一直径的两条通道和具有相对小的第二直径的两条通道，并且第一直径与第二直径之差为30μm至600μm。
如图3所示，中空纤维膜210的多条通道可以包括最大第一通道211、小于第一通道211的第二通道212、小于第二通道212的第三通道213以及小于第三通道213的第四通道214。换言之，全部通道211、212、213以及214可以形成为具有不同的直径。
通道211、212、213以及214的中心C1、C2、C3以及C4可以布置在距中空纤维膜210的中心相同的距离处，从而中心C1、C2、C3以及C4可以布置在中心与中空纤维膜210的中心重合的假想圆215上。或者，多条通道211、212、213以及214可以在中空纤维膜210中随机布置，从而并非其全部的中心C1、C2、C3以及C4布置在与中空纤维膜210共享中心的假想圆215上。
多条通道211、212、213以及214可以布置在中空纤维膜210中，使得作为中空纤维膜210的外周面和通道211、212、213以及214之间的最短距离的厚度T1、T2、T3以及T4彼此相同或不同。
在通道211、212、213以及214的中心C1、C2、C3以及C4布置在距中空纤维膜210的中心相同的距离处的情况下，由于通道211、212、213以及214的直径之差至少为30μm，从而厚度T1、T2、T3以及T4的至少一个可能太大，因此中空纤维膜的加湿性能可能降低。
因此，考虑到中空纤维膜210的加湿性能，优选地，通道211、212、213以及214形成在中空纤维膜210中，使得分别对应于通道211、212、213以及214的厚度T1、T2、T3以及T4不会过大。例如，中空纤维膜210的外周面和通道211、212、213以及214之间的最短距离(即厚度)T1、T2、T3以及T4可以为60μm至500μm。
另外，通道211、212、213以及214可以布置在中空纤维膜210中，使得将通道211、212、213以及214的中心C1、C2、C3以及C4的每一个与中空纤维膜210的中心连接的假想线(hypothetical segment)在其间形成直角。然而，本公开不限于此。只要通道211、212、213以及214布置为彼此间隔开预定距离，假想线可能在其间不形成直角。
中空纤维膜210可以具有1000μm至5000μm的外径。具有多条通道211、212、213以及214的本发明的中空纤维膜210可以形成为外径为其中仅形成单条通道的中空纤维膜的外径的两倍以上。
多条通道211、212、213以及214可以具有300μm至1300μm的直径D1、D2、D3以及D4。中空纤维膜210的外径越大，通道211、212、213以及214的直径D1、D2、D3以及D4将越大。例如，在中空纤维膜210的外径为2300μm的情况下，通道211、212、213以及214可以分别具有900μm、800μm、700μm以及600μm的直径D1、D2、D3以及D4。
中空纤维膜210的外周面和通道211、212、213以及214之间的最短距离(即厚度)T1、T2、T3以及T4可以为60μm至500μm。
在厚度T1、T2、T3以及T4的任一个小于60μm的情况下，中空纤维膜将容易受到由于压力导致的损坏。在厚度T1、T2、T3以及T4的任一个大于500μm的情况下，中空纤维膜210的加湿性能可能会降低。
在通道的直径相对小并且通道的数量大的情况下，通道的一部分也可以形成在中空纤维膜210的中心部分中。
多条通道211、212、213以及214的截面面积之和可以为中空纤维膜210的截面面积的40％至90％。在中空纤维膜210的外径为2300μm并且通道211、212、213以及214分别具有900μm、800μm、700μm以及600μm的直径D1、D2、D3以及D4的情况下，多条通道211、212、213以及214的截面面积之和约为中空纤维膜210的截面面积的43.5％。
随着具有相对小的直径的通道的数量增加，截面面积比可以增加。
在下文中，将描述中空纤维膜210的制造方法。
可以通过将纺丝液挤出通过喷嘴，来形成中空纤维膜210。使用与图3所示的中空纤维膜210对应的其中具有纺丝孔的喷嘴。
纺丝液包括聚合物、添加剂以及溶剂。
聚合物可以是选自由聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈、聚丙烯腈共聚物、聚砜、磺化聚砜、聚醚砜、乙酸纤维素、三乙酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯以及其两种以上的混合物组成的组中的任何一种。
添加剂可以是选自由水、甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、聚丙二醇、丙三醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及其两种以上的混合物组成的组中的任何一种。
溶剂可以是选自由N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、三氯甲烷、四氢呋喃以及其两种以上的混合物组成的组中的任何一种。
纺丝液可以同时通过多个喷嘴挤出，以获得一束中空纤维膜210。在凝结后，中空纤维膜束可以被洗涤然后缠绕在卷上。
根据图4所示的比较例的中空纤维膜220的外径等于图3的中空纤维膜210的外径D，并且直径等于图3的第二通道212的直径D2的四条通道222布置为以对称方式围绕中空纤维膜220的中心。
在使用根据比较例的中空纤维膜220制造膜加湿器的情况下，无论从外部引入的第一流体的流速为多少，也能恒定地保持膜加湿器的加湿性能。然而，在这种情况下，即使在需要低加湿量的低流速时段内，也能够执行比必需的更多的加湿量，从而在燃料电池堆中产生溢流现象。
反之，在使用根据本公开的多通道中空纤维膜210制造膜加湿器的情况下，在需要高加湿量的高流速时段内，保持了多通道中空纤维膜210的高加湿性能，并且在需要低加湿量的低流速时段内，其加湿性能自动降低，从而能够抑制溢流现象。其原因是，由于压差，在低流速的情况下，第一流体仅流动通过多条通道中相对大的通道，然后执行湿度交换。
在下文中，通过将其与常规例和比较例进行比较，来描述根据本公开的实例的具有中空纤维膜的膜加湿器。
[实例]
使用一束2500股的多通道中空纤维膜来制造膜加湿器，每股具有2300μm的外径并且其中具有不同尺寸(直径：900μm、800μm、700μm以及600μm)的四条通道。
[常规例]
除了使用4000股的中空纤维膜，每股仅具有一条通道(直径：900μm，外径：1100μm)，以与实例相同的方式来制造膜加湿器。
[比较例]
除了使用2500股的多通道中空纤维膜，每股具有2300μm的外径并且具有相同尺寸的四条通道(直径：800μm)，以与实例相同的方式来制造膜加湿器。
根据实例、常规例以及比较例的膜加湿器的每一个的加湿性能如下进行评估，并且其结果如下表1所示。
[加湿性能评估]
干燥空气(流速：1000sLPM至4000sLPM，温度：80℃，相对湿度：0％-5％RH，以及绝对压力：1.8巴)和湿空气(流速：900sLPM至3600sLPM，温度：80℃，相对湿度：90％RH，以及绝对压力：1.6巴)通过每个膜加湿器的第一流体入口和第二流体入口被供应，以执行加湿。测量当干燥空气的流速高(4000sLPM)时从膜加湿器排出的被加湿的空气的露点(高流速出口露点)和当干燥空气的流速低(1000sLPM)时从膜加湿器排出的被加湿的空气的露点(低流速出口露点)。
[表1]
| 高流速出口露点(℃) | 低流速出口露点(℃) | |
| 常规例 | 50 | 60 |
| 比较例 | 50.5 | 59 |
| 实例 | 51 | 39 |
如表1所示，在常规例的情况下，高流速出口露点为50℃，低流速出口露点为60℃。
露点低的事实意味着湿度相对低(即相对不充分地执行加湿)。
在实例的情况下，高流速出口露点为51℃，低流速出口露点为39℃。从中可以看出，高流速时段中的加湿性能保持为与常规例类似，并且低流速时段中的加湿性能非常低，这有效地防止溢流。
在比较例的情况下，在另一方面，高流速出口露点为50.5℃，低流速出口露点为59℃。对于比较例，由于即使形成有多条通道，通道的尺寸也彼此相同，从而低流速时段中的出口露点与常规例类似。从中可以看出，在比较例的情况下，在低流速时段中具有低防止溢流效果。
Claims (5)
1.一种用于燃料电池的膜加湿器，所述膜加湿器包括：
中壳，多个中空纤维膜被容纳在所述中壳中；
盖壳，耦接到所述中壳；以及
固定单元，所述多个中空纤维膜的端部被罐封在所述固定单元中，
其中，所述中空纤维膜的每一个中形成多条通道，并且
所述多条通道的直径中的最大直径与最小直径之差为30μm至600μm。
2.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述中空纤维膜的每一个具有1000μm至5000μm的外径。
3.根据权利要求2所述的膜加湿器，其中，所述多条通道的每一个具有300μm至1300μm的直径。
4.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述中空纤维膜的每一个的外周面与所述中空纤维膜的每一个的所述通道之间的最短距离为60μm至500μm。
5.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述中空纤维膜的每一个的所述多条通道的截面面积之和为所述中空纤维膜的截面面积的40％至90％。
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