CN116964794A - 燃料电池膜加湿器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池膜加湿器，该燃料电池膜加湿器具有改善的灌封部分与内壳体之间的接合力，使得即使当燃料电池重复运行和停止时，也可以保持接合力，根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：加湿模块，该加湿模块利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气；和封盖，所述封盖分别接合至所述加湿模块的两端。所述加湿模块包括至少一个筒体，该筒体包括：内壳体；布置在所述内壳体中的多个中空纤维膜；固定所述多个中空纤维膜的端部的灌封部分；和通过激光接合(laser bonding)在所述内壳体与所述灌封部分之间形成的激光接合表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池膜加湿器，更具体地，涉及一种燃料电池膜加湿器，其中灌封部分与内壳体之间的接合强度得到改善，使得即使当燃料电池重复运行和停止时，也可以保持接合强度。
背景技术
燃料电池是通过氢气和氧气之间的结合而产生电力的发电电池。与常规化学电池如干电池或蓄电池不同，燃料电池具有的优势是，只要供应氢气和氧气，就能够连续地产生电力，并且由于没有热损失而具有约为内燃机的两倍的效率。
另外，由于通过氢气和氧气之间的结合产生的化学能被直接转化为电能，因此，污染物的排放减少。因此，燃料电池具有的优势是，其是环境友好的并且能够减少因能源消耗增加引起的对资源枯竭的担忧。
根据使用的电解质的类型，这些燃料电池大致分为，例如，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)和碱性燃料电池(AFC)。
这些燃料电池基本上根据相同的原理运行，但是在使用的燃料的类型、运行温度、催化剂、电解质等方面有所不同。在这些电池中，由于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)在比其它燃料电池更低的温度下运行，并且由于高输出密度而可以小型化，因此，聚合物电解质膜燃料电池已知是不仅在小型固定式发电设备中，而且在运输系统中最有前景的燃料电池。
改善聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的性能的最重要的因素之一是通过向膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜(或质子交换膜：PEM)供应一定量或更多的水分以保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜是干燥的时，发电效率迅速降低。
用于加湿聚合物电解质膜的方法的实例包括：1)鼓泡加湿法，用水填充耐压力容器，然后使目标气体经过扩散器来供应水分；2)直接喷射法，计算燃料电池反应所需要的水分供应量，并且通过电磁阀向气流管道直接供应水分；和3)加湿膜法，利用聚合物分离膜向流化气体层供应水分。
在这些方法中，膜加湿法通过使用仅选择性地渗透废气中包含的水蒸气的膜，将水蒸气提供至待供应至聚合物电解质膜的空气中，以加湿聚合物电解质膜，其优势在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。
用于膜加湿法的选择性渗透膜优选地为在形成模块时具有大的每单位体积的渗透面积的中空纤维膜。即，当使用中空纤维膜制造加湿器时，具有的优势是，具有大接触表面积的中空纤维膜可以高度集成，使得即使在小容量下也可以充分地加湿燃料电池，可以使用低成本材料，并且由燃料电池在高温下排出的废气中包含的水分和热量可以被回收并且可以通过加湿器重新利用。
如图1中所示，常规的膜加湿型加湿器1000包括：加湿模块1100，在其中发生从外部供应的空气与从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间的水分交换；和封盖1200，其接合至加湿模块1100的两端。
封盖1200中的一个将从外部供应的空气输送至加湿模块1100，另一个将由加湿模块1100加湿的空气输送至燃料电池堆。
加湿模块1100包括：中间壳体1110，其具有废气入口1110a和废气出口1110b；和设置在中间壳体1110中的至少一个筒体100。附图中示出了一个筒体。筒体100包括内壳体1140，并且多个中空纤维膜1120和配置为固定中空纤维膜1120束的两端的灌封部分1130形成在内壳体1140的内部。灌封部分1130通常通过铸造法使诸如液体聚氨酯树脂的液体聚合物固化而形成。灌封部分1130通常通过铸造法(例如，浸渍铸造或离心铸造)使诸如液体聚氨酯树脂的液体聚合物固化而形成。
树脂层1150形成在筒体100与中间壳体1110之间，并且树脂层1150将筒体100固定至中间壳体1110，并将封盖1200的内部空间与中间壳体1110的内部空间阻隔开。
从外部供应的空气沿着中空纤维膜1120的中空流动。通过废气入口1110a流入中间壳体1110的废气通过包括在内壳体1140中的多个孔H流入筒体100，与中空纤维膜1120的外表面接触，然后，通过废气出口1110b从中间壳体1110排出。当废气与中空纤维膜1120的外表面接触时，包含在废气中的水分渗透到中空纤维膜1120中，以加湿沿着中空纤维膜1120的中空流动的空气。
封盖1200的内部空间仅与中空纤维膜1120的中空流体连通，并且应当与中间壳体1110的内部空间完全隔开。否则，由于压力差而发生气体泄漏，燃料电池的发电效率下降。
在现有技术的这种筒体100中，由于灌封部分1130的侧表面和内壳体1140的侧表面彼此表面接触，因此，存在的问题是，由于干气体的流动(Z方向上的流动)而使接合强度减弱，并且随着燃料电池重复地运行和停止，灌封部分1130和内壳体1140容易分离。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种燃料电池膜加湿器，其中灌封部分与内壳体之间的接合强度得到改善，使得即使当燃料电池重复地运行和停止时，也可以保持接合强度。
除了上述本发明的方面之外，本发明的其它特征和优势将在下文中描述，或者本领域技术人员将从这样的描述中清楚地理解。
技术方案
根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器包括：
加湿模块，该加湿模块配置为利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气；和封盖，所述封盖分别接合至所述加湿模块的两端，其中，所述加湿模块包括至少一个筒体，该筒体包括：内壳体；设置在所述内壳体内部的多个中空纤维膜；配置为固定所述多个中空纤维膜的端部的灌封部分；和激光熔合表面，该激光熔合表面通过所述内壳体与所述灌封部分之间的激光熔合而产生。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，可以在内壳体的端部形成台阶，并且灌封部分的两端可以安置在所述台阶上。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，灌封部分和内壳体可以通过加入用于激光熔合的添加剂来制造。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述内壳体可以被制成透明色，所述灌封部分可以被制成半透明或不透明的颜色，或者所述内壳体和所述灌封部分可以被制成半透明或不透明的颜色。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述加湿模块可以包括：中间壳体，其具有打开的两端和形成在内周表面上的台阶；固定层，其形成在中间壳体与筒体之间；支架，其由中间壳体的台阶支撑并与固定层接触；和封装构件，其具有凹槽，所述中间壳体的端部装配在该凹槽中，所述封装构件与所述支架接触。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，在封装构件的内壁上可以形成突起构件，该突起构件装配在固定层中，以抑制由于加湿模块内部的空气流动而在筒体中产生的振动。
在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，在中间壳体的内壁上可以形成阻尼突起，该阻尼突起装配在固定层中，以抑制由于加湿模块内部的空气流动而在筒体中产生的振动。
根据本发明的各个方面的实施实例的其它具体事项包括在下面的详细描述中。
有益效果
根据本发明，可以改善灌封部分与内壳体之间的接合强度。因此，即使当燃料电池重复运行和停止时，也可以保持接合强度。
附图说明
图1是示出根据现有技术的燃料电池膜加湿器的图。
图2是示出根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的图。
图3是根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的筒体的一部分的放大剖视图。
图4是示出根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的筒体的制造方法的图。
图5是示出根据本发明的第二实施方案的燃料电池膜加湿器的图。
图6是示出根据本发明的第三实施方案的燃料电池膜加湿器的图。
具体实施方式
由于可以对本发明做出各种改变，本发明可以具有多个实施方案，因此，在本说明书中将详细说明和描述具体的实施方案。然而，将理解的是，这不意在将本发明限制于具体实施方案，并且涵盖包括在本发明的精神和范围内的所有改变、等同物或者替换。
本文中使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且不意在限制本发明。除非上下文另有明确指示，否则单数表达“一”、“一个”和“该”包括复数表达。将理解的是，本文中的术语“包括”或“具有”指定存在本文中描述的特征、数目、步骤、操作、组成、部件或它们的组合，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组成、部件或它们的组合。在下文中，将参照附图描述根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器。
图2是示出根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的图。图2的剖视图是加湿器或其半成品的一端的剖视图，并且另一端也具有基本相同(或对称)的剖面。
如图2中所示，根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器2001包括加湿模块2100，该加湿模块利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气。加湿模块2100的两端分别紧固至封盖2200。
封盖2200中的一个通过端口2210接收从外部供应的空气，并将空气输送至加湿模块2100，另一封盖将由加湿模块2100加湿的空气通过端口2210输送至燃料电池堆。封盖2200可以由硬质塑料(例如，聚碳酸酯、聚酰胺(PA)或聚邻苯二甲酰胺(PPA))或金属形成，并且可以具有单个闭合曲线形状(例如，圆形或多边形)的剖面。
加湿模块2100包括中间壳体2110和容纳在中间壳体2110内部的筒体2120。
中间壳体2110包括用于废气流入内部或从内部流出的端口2111(图2中仅示出一个)。中间壳体2110可以由硬质塑料(例如，聚碳酸酯、聚酰胺(PA)或聚邻苯二甲酰胺(PPA))或金属形成，并且可以具有单个闭合曲线形状(例如，圆形或多边形)的剖面。根据本发明的一个实施方案，中间壳体2110可以具有与封盖2200相同的剖面。
所述筒体包括中空纤维膜2121、灌封部分2122和内壳体2123。
中空纤维膜2121可以包含聚砜树脂、聚醚砜树脂、磺化聚砜树脂、聚偏二氟乙烯(PVDF)树脂、聚丙烯腈(PAN)树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酯酰亚胺树脂或它们中的两种或更多种的混合物。从外部通过封盖2200中的一个供应的空气在沿着中空纤维膜2121的中空流动的同时被加湿，然后通过另一封盖2200输送至燃料电池堆。
流入中间壳体2110的废气与中空纤维膜2121的外表面接触，然后从中间壳体2110排出。当废气与中空纤维膜2121的外表面接触时，包含在废气中的水分渗透中空纤维膜2121以加湿沿着中空纤维膜2121的中空流动的空气。
灌封部分2122可以由硬质或软质聚氨酯树脂形成，其将封盖2200的内部空间与中间壳体2110的内部空间阻隔开，使得封盖2200可以仅与中空纤维膜2121流体连通。
内壳体2123包括在对应于用于废气流入内部或从内部流出的端口2111(图2中仅示出了一个端口)的位置处的多个孔H。通过第一端口2111流入中间壳体2110的废气经过第一孔H，然后沿着中空纤维膜2121的外表面流动，从而失去水分。随后，废气通过在相对侧上的第二孔H离开内壳体2133，然后，通过第二端口2111从中间壳体2110排出。
固定层2150形成在筒体2120与中间壳体2110之间，并且固定层2150将筒体2120固定至中间壳体2110，并将封盖2200的内部空间与中间壳体2110的内部空间阻隔开。
然而，在现有技术的筒体100中，由于灌封部分1130的侧表面与内壳体1140的侧表面彼此表面接触，因此，存在的问题是，由于干气体的流动(Z方向上的流动)而使接合强度减弱，并且随着燃料电池重复地运行和停止，灌封部分1130与内壳体1140容易分离，如上所述。
为了防止这种问题，本发明的燃料电池膜加湿器2001中的筒体2120包括通过灌封部分2122与内壳体2123之间的激光熔合而产生的激光熔合表面2122a。
将参照图3和图4来描述。图3是根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的筒体2120的一部分的放大剖视图，图4是示出根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器的筒体的制造方法的图。
如图3中所示，筒体2120包括通过灌封部分2122与内壳体2123之间的激光熔合而产生的激光熔合表面2122a。
在内壳体2123的端部形成有能够安置灌封部分2122的台阶2123a，并且将灌封部分2122的两端安置在台阶2123a上来设置。灌封部分2122和内壳体2123可以通过加入用于激光熔合的添加剂来制造。
当考虑到激光吸收内壳体2123被制成透明色时，灌封部分2122可以被制成半透明或不透明的颜色。或者，当内壳体2123被制成半透明或不透明的颜色时，灌封部分2122可以被制成半透明或不透明的颜色。内壳体2123和灌封部分2122可以使用吸收激光的激光非透射材料来制造。
然后，如图4中所示，在灌封部分2122安置在形成于内壳体2123的端部的台阶2123a上的状态下，通过用激光L照射灌封部分2122与内壳体2123之间的结合界面来进行激光熔合。
在这种情况下，根据结合界面的材料的性能，激光的一部分可以被吸收，另一部分可以透射。例如，当使用吸收激光的半透明材料制造灌封部分2122和内壳体2123时，当用激光照射界面时，激光可以被灌封部分2122和内壳体2123吸收。
此外，例如，当使用激光透射材料制造灌封部分2122并且使用激光非透射材料制造内壳体2123时，激光透射通过灌封部分2122并且被内壳体2123的台阶2123a吸收，从而产生热量，并且该热量可以熔合灌封部分2122与内壳体2123之间的结合界面。在这种情况下，内壳体2123的台阶2123a可以充当反射激光的反射板。
当在灌封部分2122与内壳体2123之间的结合界面上进行激光熔合时，结合界面可以改变为激光熔合表面2122a。
根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器的筒体，由于激光融合表面2122a是由激光照射产生的表面，因此，与现有技术的结合界面相比，可以提高接合强度。此外，由于将灌封部分2122的两端均安置在内壳体2123的台阶2123a上来布置，因此，与现有技术的结合界面相比，由于台阶2123a的支撑力而可以提高接合强度。因此，即使当燃料电池重复运行和停止时，灌封部分2122与内壳体2123之间的接合强度也可以得到保持。
根据本发明的第一实施方案的燃料电池膜加湿器2001可以进一步包括支架2130和封装构件2140。
如图2中所示，由中间壳体2110的台阶2112支撑的支架2130可以具有与中间壳体2110的剖面形状相对应的单个闭合曲线形状。
根据本发明的实施方案，支架2130具有比封装构件2140更高的硬度，并且牢固地粘附至灌封部分2122。
例如，封装构件2140可以具有30Shore A至60Shore A，更优选地，40Shore A至50Shore A的相对低的硬度，使得当封盖2200通过螺栓2310和螺母2320紧固至中间壳体2110时，封装构件2140可以被所施加的压力压缩，并且支架2130可以具有60Shore A至100Shore A，更优选地，70Shore A至100ShoreA的硬度，其比封装构件2140的硬度更高。
如图2中所示，其中装配有中间壳体2110的端部的封装构件2140也可以具有与中间壳体2110的剖面形状相对应的单个封闭曲线形状。
根据本发明的实施方案，封装构件2140可以包含软质橡胶(例如，硅橡胶或聚氨酯橡胶)，支架2130可以包含金属、硬质塑料(例如，聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)或丙烯酸树脂)或硬质橡胶。
当封盖2200通过螺栓2310和螺母2320紧固至中间壳体2110时，封装构件2140的设置在封盖2200与中间壳体2110之间的一部分(特别地，封装构件2140的与在其中装配有中间壳体2110的端部的凹槽相对应的一部分)被通过封盖2200和中间壳体2110所施加的压力压缩，使得可以防止通过封装构件2140与中间壳体2110之间的界面的气体移动(即，外部泄漏)，并且可以确保外部紧密密封。
此外，由于支架2130由中间壳体2110的台阶2112支撑并且具有相对高的硬度，因此，当封盖2200通过螺栓2310和螺母2320紧固至中间壳体2110时，支架2130可以与封盖2200一起有效地向封装构件2140施加压力。因此，封装构件2140的设置在封盖2200与支架2130之间的一部分(即，位于中间壳体2110的内部)被充分地压缩，使得可以防止通过封装构件2140与支架2130之间的界面的气体移动(即，内部泄漏)，并且可以确保优异的内部密封。
此外，根据本发明的实施方案的支架2130对灌封部分2122具有优异的粘合性，使得可以防止通过支架2130与灌封部分2122之间的界面的气体移动(即，内部泄漏)，并且可以提供更优异的内部密封。如果需要，用底漆处理支架2130的表面，使得可以进一步改善支架2130与灌封部分2122之间的粘合强度，并且可以将内部密封效果最大化。
封盖2200可以在对应于插入到封装构件2140的凹槽中的中间壳体2110的端部的位置处具有封盖突起2220。封盖突起2220更有效地将封装构件2140与中间壳体2110的端部压缩在一起，从而能够使外部更紧密密封。
接下来，将参照图5描述根据本发明的第二实施方案的燃料电池膜加湿器2002。
如图5中所示，除了第一实施方案的燃料电池膜加湿器2001之外，根据本发明的第二实施方案的燃料电池膜加湿器2002进一步包括突起构件2160。
突起构件2160形成为从封装构件2140的内壁在固定层2150的方向上伸出。突起构件2160可以形成为围绕封装构件2140的内壁的圆环形状。在制造中，突起构件2160可以以加压的方式装配到固定层2150中。
突起构件2160以加压的方式装配到固定层2150中以压缩固定层2150，从而抑制中间壳体2110内部的空气朝向封盖2200的移动，并且能够使内部更紧密密封。
此外，突起构件2160以加压的方式装配到固定层2150中以压缩固定层2150，从而抑制由于加湿模块2100内部的空气流动而在筒体2120中产生的振动。即，突起构件2160可以抑制由于干燥空气通过封盖的端口2210流入内部的流动(Z轴方向)而引起的筒体2120在Z轴方向上的振动。
此外，由于突起构件2160形成为从中间壳体2110的内壁在固定层2150的方向上伸出，因此，当在制造工艺中形成固定层时，可以容易地定位固定层。
接下来，将参照图6描述根据本发明的第三实施方案的燃料电池膜加湿器2003。
如图6中所示，除了第一实施方案或第二实施方案的燃料电池膜加湿器2001或2002之外，根据本发明的第三实施方案的燃料电池膜加湿器2003进一步包括阻尼突起2170。
阻尼突起2170形成为从中间壳体2110的内壁在固定层2150的方向上伸出。阻尼突起2170可以形成为围绕中间壳体2110的内壁的圆环形状。在制造中，阻尼突起2170可以以加压的方式装配到固定层2150中。
阻尼突起2170以加压的方式装配到固定层2150中以压缩固定层2150，从而抑制中间壳体2110内部的空气朝向封盖2200的移动，并且能够使内部更紧密密封。
此外，阻尼突起2170以加压的方式装配到固定层2150中以压缩固定层2150，从而抑制由于在加湿模块2100内部流动的空气而在筒体2120中产生的振动。即，阻尼突起2170可以抑制由于干燥空气通过封盖的端口2210流入内部的流动(Z轴方向)而引起的筒体2120在Z轴方向上的振动。
此外，由于阻尼突起2170形成为从中间壳体2110的内壁在固定层2150的方向上伸出，因此，当在制造工艺中形成固定层时，可以容易地定位固定层。
尽管上面描述了本发明的实施方案，但是在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神内，本领域技术人员可以通过部件的附加、改变、移除、添加等来对本发明进行各种修改或改变，并且认为这些也包括在本发明的范围内。
[主要元件的详细说明]
2001、2002、2003：燃料电池膜加湿器
2100：加湿模块 2110：中间壳体
2120：筒体 2121：中空纤维膜
2122：灌封部分 2122a：激光熔合表面
2123：内壳体 2123a：台阶
2130：支架 2140：封装构件
2150：固定层 2160：突起构件
2170：阻尼突起
Claims (7)
1.一种燃料电池膜加湿器，包括：
加湿模块，该加湿模块配置为利用从燃料电池堆排出的废气中的水分加湿从外部供应的空气；和
封盖，所述封盖分别接合至所述加湿模块的两端，
其中，所述加湿模块包括：
至少一个筒体，该筒体包括：内壳体；设置在所述内壳体内部的多个中空纤维膜；配置为固定所述多个中空纤维膜的端部的灌封部分；和通过所述内壳体与所述灌封部分之间的激光熔合而产生的激光熔合表面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，在所述内壳体的端部形成台阶，并且所述灌封部分的两端安置在所述台阶上。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述灌封部分和所述内壳体通过加入用于激光熔合的添加剂来制造。
4.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述内壳体被制成透明色，所述灌封部分被制成半透明或不透明的颜色，或者所述内壳体和所述灌封部分被制成半透明或不透明的颜色。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述加湿模块包括：
中间壳体，该中间壳体具有打开的两端和形成在内周表面上的台阶；
固定层，该固定层形成在所述中间壳体与所述筒体之间；
支架，该支架由所述中间壳体的所述台阶支撑并与所述固定层接触；和
封装构件，该封装构件具有凹槽，所述中间壳体的端部装配在该凹槽中，所述封装构件与所述支架接触。
6.根据权利要求5所述的燃料电池膜加湿器，其中，在所述封装构件的内壁上形成有突起构件，该突起构件装配在所述固定层中，以抑制由于所述加湿模块内部的空气流动而在所述筒体中产生的振动。
7.根据权利要求5所述的燃料电池膜加湿器，其中，在所述中间壳体的内壁上形成有阻尼突起，该阻尼突起装配在所述固定层中，以抑制由于所述加湿模块内部的空气流动而在所述筒体中产生的振动。
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