CN217035696U - 燃料电池膜加湿器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能够提高加湿模块内的冷凝水排出性能的燃料电池膜加湿器，本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器包括：加湿模块，进行从外部提供的空气与从燃料电池堆排出的废气之间的水分交换；盖，形成于所述加湿模块的两端；以及至少一个盒，配置于所述加湿模块内，用于收纳多个中空纤维膜，所述加湿模块包括：中壳；废气流入口，形成于所述中壳的第一面，用于使所述废气流入所述中壳；废气排出口，形成于所述中壳的第二面，用于将所述废气和所述加湿模块内部的冷凝水沿重力方向排出。

Description

燃料电池膜加湿器

技术领域

本实用新型涉及一种燃料电池膜加湿器，具体涉及能够提高加湿模块内的冷凝水排出性能的燃料电池膜加湿器。

背景技术

燃料电池是通过使氢气和氧气结合进行发电的发电型电池。不同于干电池或蓄电池等普通的化学电池，燃料电池只要被提供氢气和氧气，就能够持续地发电，并且没有热损失，因此，效率比内燃机高约两倍，有这样的优点。

另外，因为将氢气和氧气结合产生的化学能直接转换为电能，所以公害物质排放少。因此，燃料电池不仅环保，而且还能够减少能源消费的增加所导致的对于资源枯竭的担忧。

这种燃料电池可根据所使用的电解质的种类大致分为高分子电解质型燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：PEMFC)、磷酸型燃料电池(Phosphoric AcidFuel Cell：PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell：MCFC)、固态氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：SOFC)以及碱性燃料电池(Alkaline FuelCell：AFC)等。

这些燃料电池根本上基于相同的原理工作，但是所使用的燃料的种类、工作温度、催化剂、电解质等彼此不同。其中，高分子电解质型燃料电池(PEMFC)与其他的燃料电池相比，在低温下工作，且输出功率密度大，故能够实现小型化，因此，不仅有望用作小型固定式发电设备，而且还有望用于运输系统。

对于提高高分子电解质型燃料电池(PEMFC)的性能最为重要的要因之一是向膜电极组件(Membrane Electrode Assembly：MEA)的高分子电解质膜(Polymer ElectrolyteMembrane或Proton Exchange Membrane：PEM)供给规定量以上的水分，以保持含水率。这是因为当高分子电解质膜干燥时，发电效率会急剧地降低。

对高分子电解质膜进行加湿的方法有，1)向耐压容器灌入水之后，使对象气体通过扩散器(diffuser)供给水分的起泡器(bubbler)加湿方式；2)计算燃料电池反应所需的供给水分量，通过电磁阀直接向气体流管供给水分的直喷(direct injection)方式；以及3)利用高分子分离膜向气体流动层供给水分的加湿膜方式等。

其中，利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给被供给到高分子电解质膜的空气从而对高分子电解质膜进行加湿的膜加湿方式有利于膜加湿器的轻量化和小型化。

用于膜加湿方式的选择性渗透膜优选当形成模块时每单位体积的渗透面积大的中空纤维膜。即，当利用中空纤维膜制造膜加湿器时，能够使具有较大接触表面积的中空纤维膜高度集成化，从而以小容量也能实现对燃料电池充分的加湿，并且能够使用廉价的原材料，还能够回收燃料电池所排出的高温的废气(off-gas)中包含的水分和热量，并通过膜加湿器进行再利用。

现有技术文献

专利文献

(1)韩国公开专利第10-2011-0021217号；

(2)韩国公开专利第10-2011-0026696号；

(3)韩国公开专利第10-2011-0063366号。

实用新型内容

技术问题

本实用新型的目的在于，提供一种燃料电池膜加湿器，其能够提高加湿模块内的冷凝水排出性能。

技术方案

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器包括：

加湿模块，进行从外部提供的空气与从燃料电池堆排出的废气之间的水分交换；盖，形成于所述加湿模块的两端；以及至少一个盒，配置于所述加湿模块内，用于收纳多个中空纤维膜。所述加湿模块包括：中壳；废气流入口，形成于所述中壳的第一面，用于使所述废气流入所述中壳；废气排出口，形成于所述中壳的第二面，用于将所述废气和所述加湿模块内部的冷凝水沿重力方向排出。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，所述第一面可以是所述中壳的上表面，所述第二面可以是所述中壳的下表面。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，所述第一面可以是所述中壳的上表面，所述第二面可以是所述中壳的侧面。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，所述中壳可包括：隔板，将所述中壳的内部空间分隔为第一空间和第二空间；以及常时旁路孔，贯通所述隔板而连接所述第一空间与第二空间。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，所述盒可包括内壳，所述内壳形成有第一网孔部和第二网孔部，其中，所述第一网孔部用于使所述废气流入，所述第二网孔部用于将通过所述第一网孔部流入的废气在进行水分交换之后向外部排出，其中，所述第一网孔部与所述第二网孔部可形成为非对称形状。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，所述第一网孔部侧的网孔窗的总面积可大于所述第二网孔部侧的网孔窗的总面积。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，当所述第一网孔部与所述第二网孔部的网孔窗的尺寸相同时，构成所述第一网孔部的网孔数量可多于构成所述第二网孔部的网孔数量。

本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器，其中，当所述第一网孔部与所述第二网孔部的网孔窗的数量相同时，构成所述第一网孔部的各个网孔的面积可大于构成所述第二网孔部的各个网孔的面积。

本实用新型的其他的多个方面的实现例的具体事项包含在以下详细说明中。

有益效果

根据本实用新型的实施方式，能够提高加湿模块内的冷凝水排出性能。另外，能够省略用于排出冷凝水的额外的设备，因此能够降低制造成本，而且不需要用于设置额外的设备的空间，因此能够实现结构紧凑的燃料电池系统。另外，能够提高从燃料电池堆流入的废气的分配效率，因此能够提高加湿效率。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的主视图。

图2是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的俯视图。

图3是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的盖被去除后的加湿模块的侧视图。

图4是沿图2的A-A’线的剖视图。

图5是图1的燃料电池膜加湿器的变形例。

图6是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器所安装的盒的示意图。

图7是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器所安装的盒的剖视图。

图8A和图8B是对比现有的盒(上部附图，图8A)与本实用新型的一个实施例的盒(下部附图，图8B)中的废气的流动距离的图。

附图标记

110：加湿模块； 111：中壳；

112：废气流入口； 113：废气排出口；

114：隔板； 115：常时旁路孔；

120：盖；

20：盒； 21：中空纤维膜；

22：灌封部； 23：内壳；

MH1：第一网孔部； MH2：第二网孔部。

具体实施方式

本实用新型能够进行多种变换，并且可具有多种实施例，例示特定实施例在具体实施方式中进行详细说明。然而，这并非以特定的实施方式限定本实用新型，并且应当被理解为包括本实用新型的思想和技术范围内的所有变换、等同物和替换物。

本实用新型中所使用的术语仅用于对特定的实施例进行说明，而非旨在限定本实用新型。除非在文中清楚地表示具有其他的含义，单数的表述还包括复数的表述。在本实用新型中，应当理解“包括”或“具有”等术语用于指定说明书中记载的特征、数字、步骤、操作、构成要素、零件或它们的组合存在，而不是预先排除一个以上的其他特征或数字、步骤、操作、构成要素、零件或它们的组合的存在或附加可能性。以下，参照附图对本实用新型的实施例的燃料电池膜加湿器进行说明。

图1是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的主视图。图2是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的俯视图。图3是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器的盖被去除后的加湿模块的侧视图。图4是沿图2的A-A’线的剖视图。图5是图1的燃料电池膜加湿器的变形例。

如图1至图5中所示，本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器包括加湿模块110、和多个盖120。

加湿模块110用于进行从外部提供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。多个盖120结合于加湿模块110的两端。多个盖120中的任一者形成有向加湿模块110供给来自外部的空气的干燥空气流入口121，而另一者形成有向燃料电池堆供给经加湿模块110加湿的空气的干燥空气排出口122。

加湿模块110包括具有废气流入口112和废气排出口113的中壳111以及配置于中壳111内的至少一个盒20。从燃料电池堆(未示出)排出的废气从废气流入口112流入，在加湿模块110内进行水分交换之后，从废气排出口113排出。

中壳111和盖120可分别独立地由硬塑料或金属形成，并且可具有圆形或多边形的横截面。圆形包括椭圆形，多边形包括具有圆角(rounded corner)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。中壳111的内部空间可被隔板114分隔为第一空间S1和第二空间S2。隔板114可具备至少一个能够插入盒20的插入口H。

参照图7，盒20包括多个中空纤维膜21、灌封部22、内壳23。

中空纤维膜21可包括由聚砜树脂、聚醚砜树脂、磺化聚砜树脂、聚偏氟乙烯(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以上的混合物形成的高分子膜。

灌封部22用于固定中空纤维膜21的末端。灌封部22可通过以浸渍灌封、离心灌封等浇铸方式将诸如液态聚氨酯树脂的液态树脂固化而形成。

内壳23在其各个末端具有开口(opening)，并且内部收纳多个中空纤维膜21。中空纤维膜21的端部所灌封的灌封部22封闭内壳23的开口。内壳23具备第一网孔部MH1和第二网孔部MH2，所述第一网孔部MH1呈网格状排列，以与第一空间S1形成流体连通，所述第二网孔部MH2呈网格状排列，以与第二空间S2形成流体连通。

通过废气流入口112流入中壳111的第一空间S1的废气通过第一网孔部MH1流入内壳23内并与中空纤维膜21的外表面接触。接着，与干燥空气进行水分交换后的废气通过第二网孔部MH2排出到第二空间S2，之后，通过废气排出口113从中壳111被排出。

中壳111与盒20之间可设置有垫片(未示出)。垫片(未示出)可通过机械组装将盒20安装于加湿模块110。因此，能够在加湿模块110的特定部分(例如，盒20)发生异常时，将中壳111和垫片(未示出)从加湿模块110机械性地简单分离，之后仅将相应的部分维修或替换。

中壳111可具备两侧面、上表面以及下表面等共4个面。在本实用新型的一个实施例中，废气流入口112和废气排出口113分别形成于中壳111的不同面。尤其是，废气排出口113形成于能够使积聚在加湿模块110内部的冷凝水沿重力方向自然地被排出的位置。

如图1中所示，废气流入口112可形成于中壳111的上表面，当燃料电池膜加湿器以直立状态(重力方向、垂直方向)被配置时，废气排出口113可形成于中壳111的下表面。

另一方面，如图5中所示，当燃料电池膜加湿器以平躺状态(水平方向)被配置时，废气排出口113可形成于中壳111的侧面。

废气排出口113可根据燃料电池膜加湿器的配置状态形成于中壳111的下表面或侧面，以使冷凝水与废气一同因自重而自然地向外部排出。

因此，本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器能够提高加湿模块110内生成的冷凝水的排出性能。另外，能够省略用于排出冷凝水的额外的设备，因此能够降低制造成本，而且不需要用于设置额外的设备的空间，因此能够实现结构紧凑的燃料电池系统。

再次参照图3，本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器可包括形成于隔板114的常时旁路孔115。

常时旁路孔115以预定形状贯通隔板114而成。常时旁路孔115连接被隔板114分隔而成的第一空间S1与第二空间S2。

从废气流入口112流入的废气的一部分通过常时旁路孔115从第一空间S1流入第二空间S2再从废气排出口113排出。流过常时旁路孔115的废气不与外部空气接触，因此，不进行水分交换。

当燃料电池膜加湿器的体积小型化时，从燃料电池堆流入的废气会导致燃料电池膜加湿器内的差压增加。这样增加的差压会对燃料电池膜加湿器的效率产生不好的影响，因此，需要消除差压。常时旁路孔115使流入的废气的一部分旁通(绕过)中空纤维膜并向外部排出，因此，能够消除差压增加。因此，常时旁路孔115有利于燃料电池膜加湿器的小型化。

接下来，参照图6至图8B对本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器所安装的盒进行说明。图6是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器所安装的盒的示意图，图7是本实用新型的一个实施例的燃料电池膜加湿器所安装的盒的剖视图，图8A和图8B是对比现有的盒(上部附图，图8A)与本实用新型的一个实施例的盒(下部附图，图8B)中的废气的流动距离的图。

在本实用新型的一个实施例中，盒20中，也能够调节构成网孔部的网孔窗W的数量或面积，从而提高加湿效率。

参照图6，盒20可形成为第一网孔部MH1侧的网孔窗W的总面积大于第二网孔部MH2侧的网孔窗W的总面积。网孔窗W是废气流入和流出的开口。

使形成于废气流入口112侧的第一网孔部MH1侧的网孔窗W的总面积较大，从而使废气顺畅地流入内壳23内部，使形成于废气排出口113侧的第二网孔部MH2侧的网孔窗W的总面积较小，从而促进内壳23内的废气流动。

另外，第一网孔部MH1与第二网孔部MH2非对称地形成，从而与呈对称形状的情况相比，能够增加第一网孔部MH1与第二网孔部MH2之间的距离，因此，能够增加内壳23内的废气的流动距离。(参照图8A和图8B中的附图标记L1、L2)随着废气流动距离增加而增加废气与中空纤维膜21的表面接触的时间，从而能够提高总体的加湿效率。

当两侧网孔部的网孔窗W的尺寸相同时，构成第一网孔部MH1的网孔数量可多于构成第二网孔部MH2的网孔数量。

另外，当两侧网孔部的网孔窗W的数量相同时，构成第一网孔部MH1的各个网孔面积可大于构成第二网孔部MH2的各个网孔面积。

这样，在本实用新型的一个实施例中，通过使第一网孔部MH1与第二网孔部MH2的形状形成为非对称形状，能够促进内壳23内的废气流动以及增加废气流动距离，从而提高加湿效率。

以上，对本实用新型的一个实施例进行了说明，本领域技术人员能够在不脱离权利要求书中记载的本实用新型的思想的范围内，通过构成要素的附加、变更、删除或添加等方式对本实用新型进行多种修改和变更，并且这些都属于本实用新型的权利范围。

Claims (8)

1.一种燃料电池膜加湿器，其特征在于，包括：

加湿模块，进行从外部提供的空气与从燃料电池堆排出的废气之间的水分交换；

盖，形成于所述加湿模块的两端；以及

至少一个盒，配置于所述加湿模块内，用于收纳多个中空纤维膜，

所述加湿模块包括：

中壳；

废气流入口，形成于所述中壳的第一面，用于使所述废气流入所述中壳；

废气排出口，形成于所述中壳的第二面，用于将所述废气和所述加湿模块内部的冷凝水沿重力方向排出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

所述第一面是所述中壳的上表面，所述第二面是所述中壳的下表面。

3.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

所述第一面是所述中壳的上表面，所述第二面是所述中壳的侧面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

所述中壳包括：

隔板，将所述中壳的内部空间分隔为第一空间和第二空间；以及

常时旁路孔，贯通所述隔板而连接所述第一空间与第二空间。

5.根据权利要求1所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

所述盒包括内壳，

所述内壳形成有第一网孔部和第二网孔部，其中，所述第一网孔部用于使所述废气流入，所述第二网孔部用于将通过所述第一网孔部流入的废气在进行水分交换之后向外部排出，其中，所述第一网孔部与所述第二网孔部形成为非对称形状。

6.根据权利要求5所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

所述第一网孔部侧的网孔窗的总面积大于所述第二网孔部侧的网孔窗的总面积。

7.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

当所述第一网孔部与所述第二网孔部的网孔窗的尺寸相同时，构成所述第一网孔部的网孔数量多于构成所述第二网孔部的网孔数量。

8.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，其特征在于，

当所述第一网孔部与所述第二网孔部的网孔窗的数量相同时，构成所述第一网孔部的各个网孔的面积大于构成所述第二网孔部的各个网孔的面积。

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