CN117425993A - 燃料电池膜加湿器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种燃料电池膜加湿器，其中，构成筒体的内壳体与中间壳体之间的间隙被密封以防止废气绕行。所述公开的燃料电池膜加湿器包括：中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；第一盖，紧固至所述中间壳体的一侧；第二盖，紧固至所述中间壳体的另一侧；内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；肋，从所述内壳体的一侧突出并且与所述分隔壁的一个表面接触；钩，从所述内壳体的另一侧突出并且与所述分隔壁的另一表面接触；第一衬垫，设置在所述第一盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第一盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述肋；和第二衬垫，设置在所述第二盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第二盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述钩。

Description

燃料电池膜加湿器
技术领域
本公开涉及一种燃料电池膜加湿器，并且更具体地，涉及一种燃料电池膜加湿器，其中，构成筒体的内壳体与中间壳体之间的间隙被密封以防止废气绕行(bypassed)。
背景技术
燃料电池是通过结合氢与氧来产生电的发电电池。与通常的化学电池诸如干电池或蓄电池不同，只要供应氢气和氧气，燃料电池就能够持续产生电，并且因为没有热损失，所以优点是效率大约是内燃机的两倍。
此外，因为通过氢与氧的结合产生的化学能被直接转化为电能，所以燃料电池排放更少的污染物。因此，燃料电池是环境友好的，并且其优点是：减少由于能源消耗增加而对资源枯竭的担忧。
根据所使用的电解质的类型，这种燃料电池可以主要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)和碱性燃料电池(AFC)。
这种燃料电池以相同的基本原理运行，但是在所使用的燃料的类型、运行温度、催化剂、电解质等方面不同。其中，PEMFC在比其他燃料电池低的温度下运行并且具有高功率密度，从而允许小型化。因此，已知PEMFC不仅在小型固定发电设备中，而且在运输系统中是最有希望的燃料电池。
改善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))供应超过一定量的水分来保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜干燥时，发电效率迅速降低。
有几种对聚合物电解质膜加湿的方法，包括：1)通过在用水填充耐压容器之后使目标气体通过扩散器来供应水分的起泡器加湿方法；2)通过计算燃料电池反应所需要的水分供应，经过电磁阀向气体流动管道直接供应水分的直接注入方法；和3)通过使用聚合物分离膜向气体流体层供应水分的膜加湿方法。
这些方法中，通过使用选择性地仅允许废气中包含的水蒸气通过的膜向待供应至聚合物电解质膜的空气供应水蒸气来对聚合物电解质膜加湿的膜加湿方法的优点在于，膜加湿器可以轻量化以及小型化。
当在模块中形成膜加湿方法中使用的选择性渗透膜时，优选地是每单位体积渗透面积大的中空纤维膜。换言之，当通过使用中空纤维膜制造膜加湿器时，具有大的接触表面积的中空纤维膜的高度集成是可能的，因此，即使具有小容量也可以充分地对燃料电池加湿，可以使用低成本材料，并且可以回收从燃料电池在高温下排出的废气中包含的水分和热量，并由此通过膜加湿器再利用回收的水分和热量。
图1是示出根据相关技术的燃料电池膜加湿器的分解透视图，并且图2是用于描述根据相关技术的燃料电池膜加湿器的问题的截面图。
参照图1和图2，相关技术的燃料电池膜加湿器10包括：加湿模块11，其中，在从外部供应的空气与从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间交换水分；和盖12，其耦接至加湿模块11的两端。
盖12中的一个盖配置为将从外部供应的空气供应至加湿模块11，并且盖120中的另一个盖配置为将由加湿模块11加湿的空气供应至燃料电池堆。
加湿模块11包括：中间壳体11a，其具有废气入口11b和废气出口11c；和至少一个筒体20，其设置在中间壳体11a内。在附图中，作为实例示出了一个筒体。筒体20具有内壳体23。在内壳体23的内部形成多个中空纤维膜21和灌封部22。灌封部22固定一束中空纤维膜21的两端。灌封部22通常通过铸造方法固化液体聚合物诸如液体聚氨酯树脂而形成。
树脂层11e形成在筒体20与中间壳体11a之间。树脂层11e将筒体20固定至中间壳体11a，并且阻隔盖12的内部空间和中间壳体11a的内部空间。
中间壳体11a的内部空间被分隔壁11d分为第一空间S1和第二空间S2。内壳体23包括：第一网孔部MH1，其布置为网状以能够与第一空间S1流体连通；和第二网孔部MH2，其布置为网状以能够与第二空间S2流体连通。
通过废气入口11b流入到中间壳体11a的第一空间S1中的废气通过第一网孔部MH1流入到内壳体23中，然后与中空纤维膜21的外表面接触。随后，去除了水分的废气通过第二网孔部MH2排出至第二空间S2，然后通过废气出口11c从中间壳体11a排出。包括内壳体23的筒体20可以容易地与中间壳体11a组装，并且可以容易地更换。
参照图2，内壳体23包括与分隔壁11d的一面接触的肋25和与分隔壁11d的另一面接触的钩24。钩24具有倾斜的表面。当在盖12和中间壳体11a分离的状态下将筒体20从附图的左到右插入中间壳体中时，钩24的倾斜表面可以在与分隔壁11d接触的同时以干涉配合的方式插入分隔壁之间。随后，将筒体20持续地插入，并且当肋25与分隔壁11d接触时，不再将筒体20插入，并且固定。
即，将筒体20的钩24和肋25固定至分隔壁11d的一个表面和另一表面上，分隔壁11d位于钩24与肋25之间。因此，可以将筒体20固定在中间壳体11a内。
在这种情况下，钩24与肋25之间的距离可以制造为与分隔壁11d的宽度基本相同。否则，从废气入口11b引入的废气经由肋25与分隔壁11d之间的间隙以及钩24与分隔壁11d之间的间隙排出至废气出口11c。换言之，用于加湿的废气绕行并且排出至外部而没有用于加湿。(见图2中的符号“BF”)
然而，由于错误组装或尺寸公差，钩24与肋25之间的间隙以及分隔壁11d的宽度可能变得彼此不同。因此，存在产生绕行废气并且降低加湿效率的问题。
发明内容
技术问题
本公开的目的是提供一种燃料电池膜加湿器，其中，构成筒体的内壳体与中间壳体之间的间隙被密封以防止废气绕行。
技术方案
根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；盖，紧固至所述中间壳体；内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；肋，从所述内壳体的一侧突出并且与所述分隔壁的一个表面接触；和衬垫，设置在所述盖与所述内壳体之间并且具有第一硬度，所述衬垫配置为通过将所述盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述肋来密封所述内壳体与所述分隔壁之间的间隙。
此外，根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；盖，紧固至所述中间壳体；内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；钩，从所述内壳体的另一侧突出并且与所述分隔壁的另一表面接触；和衬垫，设置在所述盖与所述内壳体之间并且具有第二硬度，所述衬垫配置为通过将所述盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述钩来密封所述内壳体与所述分隔壁之间的间隙。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述衬垫可以包括：内壳体接合面，其中，所述衬垫在该内壳体接合面处与所述内壳体接触；盖接合面，其中，所述衬垫在该盖接合面处与所述盖接触；和插入突起，其插入在所述盖的端部与所述中间壳体的端部之间。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，与所述盖接合面接触的所述盖的底表面可以形成为具有与所述盖接合面的尺寸相对应的尺寸。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述肋可以具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述钩可以具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状。
此外，根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；第一盖，紧固至所述中间壳体的一侧；第二盖，紧固至所述中间壳体的另一侧；内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；肋，从所述内壳体的一侧突出并且与所述分隔壁的一个表面接触；钩，从所述内壳体的另一侧突出并且与所述分隔壁的另一表面接触；第一衬垫，设置在所述第一盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第一盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述肋；和第二衬垫，设置在所述第二盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第二盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述钩。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，第一衬垫和第二衬垫可以具有不同的硬度。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，当所述肋具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状并且所述钩不具有闭合曲线形状时，所述第一衬垫的硬度可以大于所述第二衬垫的硬度。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，当所述钩具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状并且所述肋不具有闭合曲线形状时，所述第二衬垫的硬度可以大于所述第一衬垫的硬度。
有益效果
根据本公开的一个实施方案，构成筒体的内壳体和中间壳体之间的间隙可以被密封以防止废气绕行。
附图说明
图1是示出根据相关技术的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
图2是用于描述根据相关技术的燃料电池膜加湿器的问题的截面图。
图3是示出根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的截面图。
图4是根据本公开的一个实施方案的衬垫的截面图。
图5是示出在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中以不同形式实施的分隔壁的截面图。
具体实施方式
本公开可以包括各种修改和实施方案，因此，将通过采取示例性实施方案来详细解释本公开。然而，这不意在将本公开限于特定的实施方案，并且应当理解，本公开意在包括落入本公开的构思和范围内的所有变形、等同物和替换。
本说明书中使用的术语仅用于描述具体实施方案，而并不意在限制本公开。除非上下文另有明确指示，否则本说明书中使用的单数形式也意在包括复数形式。应当注意的是，如在本申请中使用的术语“包含”、“包括”或“具有”是包括性的，因此，指定存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件、部件或它们的任意组合，但是不排除存在或加入一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件或它们的任意组合。在下文中，将参照附图描述根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器。
图3是示出根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的截面图，图4是根据本公开的一个实施方案的衬垫的截面图，图5是示出在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中以不同形式实施的分隔壁的截面图。
如图3中所示，根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器100包括：加湿模块110、盖120和衬垫130。
加湿模块110在从外部供应的空气与从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间进行水分交换。盖120耦接至加湿模块110的两端。盖120中的一个盖将从外部供应的空气供应至加湿模块110，并且盖120中的另一个盖将由加湿模块110加湿的空气供应至燃料电池堆。
加湿模块110包括：中间壳体111，具有废气入口112和废气出口113；和至少一个筒体20，设置在中间壳体111内。
当然，根据设计，盖120中的一个盖可以允许废气被供应至加湿模块110，使得废气在中空纤维膜内部流动，并且盖120中的另一个盖可以允许水分交换过的废气被排出至外部。此外，在这种情况下，可以通过废气入口112或者废气出口113引入外部空气，并且可以通过废气入口112和废气出口113中的其余一个将由加湿模块110加湿的空气供应至燃料电池堆。外部空气的流动方向可以与废气的流动方向相同或相反。
中间壳体111和盖120可以各自独立地由硬塑料或金属形成，并且可以各自在宽度方向上具有圆形的或多边形的横截面。“圆形”包括椭圆形，“多边形”包括具有圆角的多边形。例如，硬塑料可以是聚碳酸酯、聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)等。中间壳体111的内部空间可以被分隔壁114分为第一空间S1和第二空间S2。
筒体20可以包括多个中空纤维膜21、灌封部22、内壳体23、钩24和肋25。
中空纤维膜21可以包括聚砜树脂、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、或由选自它们中的至少两种的混合物形成的聚合物膜。
灌封部22固定中空纤维膜21的端部。灌封部22可以通过铸造方法诸如深灌封或离心灌封来固化液体树脂诸如液体聚氨酯树脂而形成。
内壳体23在每个端部处具有开口，并且中空纤维膜21容纳在该开口中。灌封中空纤维膜21的端部的灌封部22封闭内壳体23的开口。内壳体23包括：第一网孔部MH1，其布置为网状以能够与第一空间S1流体连通；和第二网孔部MH2，其布置为网状以能够与第二空间S2流体连通。
通过废气入口112流入到中间壳体111的第一空间S1中的废气通过第一网孔部MH1流入到内壳体23中，然后与中空纤维膜21的外表面接触。随后，去除了水分的废气通过第二网孔部MH2排出至第二空间S2，然后通过废气出口113从中间壳体111排出。
衬垫130安装在盖120与筒体20之间。具体地，衬垫130由盖120按压并安装在盖120与构成筒体20的内壳体23之间。衬垫130a将盖120与中间壳体111之间的紧固力传递至肋25，使得肋25密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙。
类似地，衬垫130b将盖120与中间壳体111之间的紧固力传递至钩24，使得钩24密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙。
下面的说明集中在通过肋25的密封，但是不排除通过钩24的密封的情况。可以根据钩24或肋25的形状来确定是钩24还是肋25密封间隙。当肋25具有围绕内壳体23的外表面的闭合曲线形状时，肋25可以密封间隙，而当钩24具有围绕内壳体23的外表面的闭合曲线形状时，钩24可以密封间隙。
衬垫130可以具有内壳体接合面131、盖接合面132和插入突起133，并且可以形成为单个闭合曲线形状，如图4中所示。
内壳体接合面131是衬垫130与内壳体23接触处的表面，并且可以具有与内壳体23的截面形状相对应的单个闭合曲线形状。盖接合面132是衬垫130与盖120接触处的表面，并且可以具有与盖120的截面形状相对应的单个闭合曲线形状。当将插入突起133插入到盖120的端部与中间壳体111的端部之间以紧固和组装盖120和中间壳体111时，插入突起133被按压以密封盖120的内部空间以及中间壳体111的内部空间。
衬垫130由具有一定硬度的橡胶或塑料材料形成。因此，当将衬垫130设置在盖120与内壳体23之间并且通过使用螺栓和螺母将盖120紧固至中间壳体111时，衬垫130可以通过由盖120和中间壳体111施加的压力来压缩，并且可以将盖120与中间壳体111之间的紧固力传递至内壳体23和从内壳体的一侧突出的肋25。
肋25通过内壳体23接收衬垫130所接收的紧固力(由于压缩而导致的压力或排斥力)，并且朝向分隔壁114施加力。因此，即使当在制造过程中存在尺寸公差，肋25也可以密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙。因此，可以防止废气通过间隙绕行。“尺寸公差”可以用于表示包括在制造工艺的过程中钩24与肋25之间的间隙以及分隔壁114的宽度变得彼此不同的所有情况。
为了更有效地传递紧固力，与盖接合面132接触的盖120的底表面122可以形成为具有与盖接合面132的尺寸相对应的尺寸。
即使当在肋25侧的第一衬垫130a和在钩24侧的第二衬垫130b形成为具有相同的硬度和相同的尺寸时，由衬垫130接收的紧固力也可以传递至肋25。然而，因为在钩24侧的第二衬垫130b还将紧固力传递至钩24，所以存在两侧上的紧固力可能被抵消的风险。
因此，在本公开中，在肋25侧的第一衬垫130a和在钩24侧的第二衬垫130b可以具有不同的硬度。将在肋25侧的第一衬垫130a的硬度称为第一硬度，并且将在钩24侧的第二衬垫130b的硬度称为第二硬度。
再次参照图3，考虑到膜加湿器组装顺序，首先，将右盖120紧固至中间壳体111。此时，将第二衬垫130b插入到右盖120和中间壳体111中。之后，将筒体20插入到中间壳体111中。此时，首先插入具有倾斜表面的钩24，并且随后插入肋25。将钩24和肋25固定至分隔壁114的一侧和另一侧，分隔壁114位于钩24与肋25之间。接下来，在将第一衬垫130a设置在内壳体23和中间壳体111的端部上之后，将左盖120紧固至中间壳体111。此时，左盖120与中间壳体111之间的紧固力被传递至肋25。此外，此时，右盖120与中间壳体111之间的紧固力被传递至钩24。
在这种情况下，当设置在肋25侧并具有第一硬度的第一衬垫130a和设置在钩24侧并具有第二硬度的第二衬垫130b具有不同的硬度时，即，当第一硬度和第二硬度彼此不同时，第一衬垫130a和第二衬垫130b中的任意一个的紧固力变得更加主导，因此，肋25和钩24中的一个可以密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙。
此外，第一衬垫130a和第二衬垫130b具有不同的硬度，并且硬度的大小可以根据钩24或肋25的形状来确定。
当肋25具有围绕内壳体23的外表面的闭合曲线形状时，肋25可以密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙，因此，在肋25侧的第一衬垫130a的硬度优选地大于在钩24侧的第二衬垫130b的硬度。
类似地，当钩24具有围绕内壳体23的外表面的闭合曲线形状时，钩24可以密封内壳体23与分隔壁114之间的间隙，因此，在钩24侧的第二衬垫130b优选地具有较大的硬度。
当钩24和肋25均具有围绕内壳体23的外表面的闭合曲线形状时，第一衬垫130a和第二衬垫130b具有不同的硬度就足够了。
根据设计，分隔壁114可以形成为具有图5中示出的形状。参照图5，分隔壁114可以形成为具有其中中间壳体111的中心部分向内凹陷的形状。
虽然已经描述了本公开的实施方案，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开的构思和范围的情况下，可以通过包括、改变、去除或添加元件来在本说明书中进行各种修改和改变。此外，应当理解，这也落入本公开的范围内。
附图标记说明
100：燃料电池膜加湿器
110：加湿模块
111：中间壳体
112：废气入口
113：废气出口
114：分隔壁
120：盖
130：衬垫
20：筒体。

Claims (10)

1.一种燃料电池膜加湿器，包括：
中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；
盖，紧固至所述中间壳体；
内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；
肋，从所述内壳体的一侧突出并且与所述分隔壁的一个表面接触；和
衬垫，设置在所述盖与所述内壳体之间并且具有第一硬度，所述衬垫配置为通过将所述盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述肋来密封所述内壳体与所述分隔壁之间的间隙。
2.一种燃料电池膜加湿器，包括：
中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；
盖，紧固至所述中间壳体；
内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；
钩，从所述内壳体的另一侧突出并且与所述分隔壁的另一表面接触；和
衬垫，设置在所述盖与所述内壳体之间并且具有第二硬度，所述衬垫配置为通过将所述盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述钩来密封所述内壳体与所述分隔壁之间的间隙。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述衬垫包括：
内壳体接合面，所述衬垫在该内壳体接合面处与所述内壳体接触；
盖接合面，所述衬垫在该盖接合面处与所述盖接触；和
插入突起，插入在所述盖的端部与所述中间壳体的端部之间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池膜加湿器，其中，与所述盖接合面接触的所述盖的底表面形成为具有与所述盖接合面的尺寸相对应的尺寸。
5.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述肋具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状。
6.根据权利要求2所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述钩具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状。
7.一种燃料电池膜加湿器，包括：
中间壳体，具有隔开内部空间的分隔壁；
第一盖，紧固至所述中间壳体的一侧；
第二盖，紧固至所述中间壳体的另一侧；
内壳体，设置在所述中间壳体中并且配置为在其中容纳多个中空纤维膜；
肋，从所述内壳体的一侧突出并且与所述分隔壁的一个表面接触；
钩，从所述内壳体的另一侧突出并且与所述分隔壁的另一表面接触；
第一衬垫，设置在所述第一盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第一盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述肋；和
第二衬垫，设置在所述第二盖与所述内壳体之间并且配置为将所述第二盖与所述中间壳体之间的紧固力传递至所述钩。
8.根据权利要求7所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述第一衬垫和所述第二衬垫具有不同的硬度。
9.根据权利要求7所述的燃料电池膜加湿器，其中，当所述肋具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状并且所述钩不具有闭合曲线形状时，所述第一衬垫的硬度大于所述第二衬垫的硬度。
10.根据权利要求7所述的燃料电池膜加湿器，其中，当所述钩具有围绕所述内壳体的外表面的闭合曲线形状并且所述肋不具有闭合曲线形状时，所述第二衬垫的硬度大于所述第一衬垫的硬度。
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