CN106099142A - 用于燃料电池的膜加湿器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃料电池的膜加湿器。膜加湿器，包括各自置于设置在膜加湿器的壳体中的多个相邻的中空纤维膜中相邻的中空纤维膜之间的缓冲和间隔结构，其中该缓冲和间隔结构缓冲供应自送风机的空气的压力，并且维持相邻的中空纤维膜之间的间隔。
Description
技术领域
本公开涉及用于燃料电池的膜加湿器。更具体地，其涉及用于燃料电池的膜加湿器，其中用于缓冲和间隔多个中空纤维膜的结构各自置于中空纤维膜的相邻的中空纤维膜之间，以间隔相邻的中空纤维膜。
背景技术
通常，燃料电池(fuel cell)中电解质膜的加湿对于燃料电池的运作是重要的。为此使用加湿装置。这种加湿装置工作使得从大气供应至燃料电池的干燥气体与从燃料电池排放的湿润气体交换湿气。
存在各种加湿装置的类型，例如，超声加湿装置、蒸汽加湿装置、汽化加湿装置等。然而，已将使用中空纤维膜的膜加湿器用作对燃料电池有用的适当加湿装置。
为此，本申请人提出了如在授权为韩国专利注册号10-1382672(2014年4月1日)的专利申请中公开的燃料电池膜组件制造方法。在此方法中，通过采用新型中空纤维膜组件结构，其中将少量中空纤维膜设置在组件的中心部分，并且向组件的***部分逐渐增加设置中空纤维膜的数量，制备用在燃料电池的膜加湿器中的膜组件。因而，贯穿整个中空纤维膜获得均匀的加湿性能，因为可以使从送风机引入的干燥空气向设置了增加数量的中空纤维膜的组件的***部分分布。
然而，上述注册专利具有以下缺点。
首先，在其中引入加湿器的空气压力较高的变压***中，可能存在倾斜现象，其中设置在膜加湿器中的中空纤维膜向一侧倾斜或可能存在中空纤维膜破损的风险。在这种情况下，加湿效率会严重下降。
第二，在用于中空纤维膜的分散排列的灌封工艺(potting process)中，中空纤维膜可能扭曲。
第三，虽然可以通过中空纤维膜的分散排列确保用于维持相邻中空纤维膜之间间隔的空间，但存在不必要的空间增加的缺点。
发明内容
本公开以及致力于解决与现有技术相关的上述问题。
本公开涉及用于燃料电池的膜加湿器，其中将用于缓冲和间隔膜加湿器中的多个中空纤维膜的分隔结构各自置于中空纤维膜的相邻的中空纤维膜之间，不仅缓冲暴露于高压空气的中空纤维膜，还在相邻的中空纤维膜之间维持期望的间隔，并且因而在相邻的中空纤维膜之间顺畅地供应湿空气，并且使干燥空气均匀分布在中空纤维膜中，从而达到增强的加湿性能。
在一个方面中，本公开提供的膜加湿器包括各自置于设置在膜加湿器的壳体中的多个中空纤维膜中相邻的中空纤维膜之间的缓冲和间隔结构，不仅缓冲供应自送风机的空气的压力，还维持相邻的中空纤维膜之间的间隔。
在优选实施方式中，所述缓冲和间隔结构可以设置成使得最大数量的缓冲和间隔结构设置在中心部分，并且向***部分设置逐渐减少数量的缓冲和间隔结构。
在另一优选的实施方式中，缓冲和间隔结构可以由亲水材料制成。
在又一优选的实施方式中，缓冲和间隔结构可以具有比中空纤维膜更大的直径以及与中空纤维膜长度相等的长度。
在又一优选的实施方式中，缓冲和间隔结构可以具有选自以下的形状：笔直形状、之字形状(zig-zag shape)、突起/凹槽形状(protrusion/grooveshape)、螺旋弹簧形状、折线形状(crimp shape)，以及网眼卷形状(meshroll shape)。
在又一优选的实施方式中，可以将缓冲和间隔结构的相对两端与中空纤维膜的相对两端使用灌封材料灌封在一起。
在进一步优选的实施方式中，可以在在缓冲和间隔结构的径向上，在各缓冲和间隔结构上形成湿空气导孔或槽。
在下文中讨论本公开的其它方面和优选实施方式。
应理解的是，如在本文中使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语通常包括机动车辆，诸如载客汽车，包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车，船舶，包括各种舟(boat)和轮船(ship)，飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合动力车辆、氢动力车辆和其它替代燃料车辆(例如，源自石油以外的资源的燃料)。在本文中涉及的混合动力车辆是具有两个或多个动力源的车辆，例如，汽油动力和电动车辆。
在下文中讨论本公开的上述内容和其它特征。
附图说明
现在将参照在附图中阐明的一些示例性实施方式详细地描述本公开的上述和其它特征，其中下文中的附图仅以举例说明的方式给出，因此不是对本公开的限制，其中：
图1是示出燃料电池***中供气***构造的示图；
图2是简要地示出用于燃料电池的常规膜加湿器的构造的剖视图；
图3是示出根据本公开的实施方式的膜加湿器的截面图；
图4是示出根据本公开另一实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的截面图；
图5是简要地示出根据相关技术和本公开的用于燃料电池的膜加湿器的垂直剖视图(A：相关技术；B：本发明)；
图6A至图6E是示出用于缓冲和间隔根据本公开的膜加湿器中的中空纤维膜的结构的实施方式的视图；并且
图7是示出用于根据本公开的膜加湿器的灌封方法的视图。
应理解，附图不一定是按比例的，其呈现出说明本公开基本原理的各种优选特征的某种程度上的简化表达。如本文披露的本公开的特定设计特征，其包括，例如，特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由具体的预期应用和使用环境确定。
在图中，所有附图的几个图的附图标号指本公开的相同或等效部件。
具体实施方式
下文中，将详细地参照本公开的各种实施方式，其中的实例在附图阐明并在下文描述。尽管将结合示例性实施方式描述本公开，但应该理解，本说明书并非旨在将本公开限制于那些示例性实施方式中。相反地，本公开不仅旨在涵盖示例性实施方式，而且还涵盖各种替代、修改、等同物和其他实施方式，其可包括在如随附权利要求限定的本公开的精神和范围内。
为了更好地理解本公开，将描述用于燃料电池的膜加湿器的配置与运作。
图1示出了燃料电池***的供气***。图2示出了包括在该供气***中的常规膜加湿器的配置。
所述燃料电池***可以包括用于将燃料(氢气)供应至燃料电池电堆(fuel cell stack)的燃料供应***，用于将包含在空气中的氧气作为电化学反应所需的氧化剂供应至燃料电池电堆的供气***，用于控制燃料电池电堆的工作温度的热量和水管理***，以及用于基本上使用氢气和空气产生电能的的燃料电池电堆。
因此，随着氢气由燃料供应***供应至燃料电池电堆的阳极，并且氧气由供气***供应至燃料电池电堆的阴极，在阳极发生氢气的氧化，并且因而产生氢离子(质子)和电子。产生的质子和电子通过电解质膜和隔板(separation plate)移动至阴极。在阴极，由从阳极移动的质子和电子以及供应的氧气产生电化学反应，并且因而生成水，并且通过电子的流动产生电能。
如图1中所示，供气***可以包括膜加湿器100和送风机202，以将加湿的空气(氧气)供应至燃料电池电堆(燃料电池组)200。
因此，依照送风机202的抽吸运行将环境干燥空气供应至膜加湿器100的中空纤维膜。同时，在反应之后从燃料电池电堆200排出的排放气体(湿空气)穿过膜加湿器100，并且因而包含在排放气体中的湿气穿透中空纤维膜，从而加湿干燥空气。
参考图2，传统的膜加湿器100包括：壳体101，在其一端形成有供应口102，干燥空气由送风机202引入其中，同时在其另一端形成有排出口103，加湿的空气由其排出。依照常用的灌封工艺将包括多个密集的中空纤维模106的中空纤维膜束容纳在壳体101中。
在壳体101的***部分的一侧形成进口104，用于引入从燃料电池电堆排出的湿空气。同时在所述壳体101的***部分的相对侧形成出口105，用于排出依照去除来自引入的湿空气的湿气而产生的空气。
因此，当排放气体在反应之后排出燃料电池电堆，也就是湿空气由壳体101的进口104供应至中空纤维膜106时，依照各中空纤维膜106的毛细作用，湿空气的湿气与湿空气分离。分离的湿气凝结同时渗透中空纤维膜106的毛细管，并且因而移动通过中空纤维膜106的内部。
接着，依照由湿空气分离湿气产生的空气在沿中空纤维膜106的外侧移动后，直接通过壳体101的出口105排出。
同时，依照送风机202的驱动，将环境空气(干燥空气)通过壳体101的供应口102供应。通过供应口102供应的干燥空气移动通过中空纤维膜的内部。此时，从湿空气分离的湿气已经移动至中空纤维膜106的内部，并且因而该干燥空气由湿气加湿。将加湿的空气通过排出口103供应至燃料电池电堆的阴极。
然而，中空纤维膜束具有多个中空纤维膜106的密集结构，并且因而对于通过进口104引入的湿空气穿入中空纤维膜束的内部是困难的。此外，由于湿空气通过中空纤维膜106扩散的扩散速率非常低，湿空气穿入中空纤维膜106的内部具有很多困难。
具体地，在壳体101内部，穿过中空纤维膜106的束的外侧的湿空气主要沿设置在中空纤维膜束***部分的中空纤维膜106流动而没有顺畅地穿入中空纤维膜束的中心部分。结果是，干燥空气加湿效率下降。
在下文中将描述根据本公开的用于燃料电池的膜加湿器的构造。
图3是示出根据本公开的实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的截面图。图4是示出根据本公开的另一实施方式的用于燃料电池的膜加湿器的截面图。
如图3和4中所示，膜加湿器100可以包括外壳101，在其一端形成有供应口102，干燥空气由送风机引入其中，同时在其另一端形成有排出口103，加湿的空气由其排出。包括多个密集的中空纤维模106的中空纤维膜束容纳在壳体101中。
在壳体101的***部分的一侧形成进口104，用于引入从燃料电池电堆排出的湿空气。同时在壳体101的***部分的相对侧形成出口105，用于排出依照去除来自引入的湿空气的湿气而产生的空气。
本公开特征在于，用于缓冲和间隔中空纤维膜的结构110各自置于设置在壳体101中的多个中空纤维膜106中相邻的中空纤维膜106之间。
依照在图3中示出的本公开的实施方式，用于缓冲和间隔中空纤维膜的直结构110，其具有比各中空纤维膜106更大的直径，同时具有与各中空纤维膜106相同的长度，各自置于相邻的中空纤维膜106之间。
可替换地，依照在图4中示出的本公开的实施方式，用于缓冲和间隔中空纤维膜的折线形状结构110，其具有比各中空纤维膜106的直径更大的垂直宽度，同时具有与各中空纤维膜106相同的长度，各自置于相邻的中空纤维膜106之间。
另外，如图6A-6E中所示，各自置于相邻的中空纤维膜106之间的缓冲和间隔结构110可以具有选自以下的形状：除了笔直形状(图6A)，还有之字形状(图6B)、突起/凹槽形状(图6C)、螺旋弹簧形状(图6D)，以及圆柱网眼卷形状(图6E)。
如上所述，可以具有各种形状的缓冲和间隔结构110各自置于中空纤维膜106束中相邻的中空纤维膜106之间，并且因而，不仅起缓冲和支撑相邻的中空纤维膜106，以防止相邻的中空纤维膜106被来自送风机供应的空气的压力弯曲或断裂的作用，并且还起维持相邻的中空纤维膜106之间的所需间隔，以为湿空气形成流动通道的作用。
优选地，如图5中所示，缓冲和间隔结构110设置成使得最大数量的缓冲和间隔结构110密集地设置在中空纤维膜束的中心部分，并向中空纤维膜束的***部分设置逐渐减少缓冲和间隔结构110的数量。这是因为在反应之后从燃料电池电堆排放的湿空气在供应至中空纤维膜束的***部分后，不能顺畅地穿透中空纤维膜束的中心部分。
依照这样的缓冲器缓冲和间隔结构110的设置，设置在中空纤维膜束的中心部分的中空纤维膜106彼此分隔开来预定距离，用于为湿空气形成流动通道。因此，在反应之后从燃料电池电堆排放的湿空气在供应至中空纤维膜束的***部分后，可以顺畅地穿透中空纤维膜束的中心部分。
同时，当缓冲和间隔结构110是由亲水材料(例如，与中空纤维膜相同的材料)制成时，可以更容易地将湿空气的湿气传输至与各结构110相邻的中空纤维膜106，同时在结构110上形成露珠。因此，可以进一步增强对干燥空气的中空纤维膜的加湿效果。
当上述缓冲和间隔结构110各自置于相邻的中空纤维膜106之间时，可能在为湿空气确保更大的流动通道中有局限性，即，相邻中空纤维膜106之间更大的空间，因为在各结构110和相邻所述结构110设置的各中空纤维膜106之间存在表面接触面积。
考虑到这种局限性，在结构110的径向上，在各结构110上另外形成湿空气导孔或槽112，并且因而，可以减少结构110与各相应的中空纤维膜106之间的表面接触区域。因此，当将湿空气引导至相邻中空纤维膜106之间的空间时，湿空气接触中空纤维膜的面积增加，并且因而可以进一步增强中空纤维膜对干燥空气的加湿效果。
同时，可以通过在灌封中空纤维膜106时，使用灌封材料，将结构110与中空纤维膜106一同灌封，实现中空纤维膜106之间的缓冲和间隔结构110的固定。
即是，如图7中所示，将缓冲和间隔结构110各自设置在成束中空纤维膜106中相邻的中空纤维膜106之间所需位置上，并且然后通过灌封材料108，也就是聚合物模塑树脂，在使用离心力的灌封装置中灌封各结构110的相对两端和各中空纤维膜106的相对两端。因此，容易地将中空纤维膜106和结构110固定在其中各结构110置于相邻的中空纤维膜106之间的状态下。
在下文中将描述根据本公开的膜加湿器的加湿运作。
随着氢气供应至燃料电池电堆的阳极，并且同时，氧气由供气***供应至燃料电池电堆的阴极，在阳极发生氢气的氧化，并且从而产生氢离子(质子)和电子。产生的质子和电子通过电解质膜和隔板移动至阴极。在阴极，由从阳极移动的质子和电子以及供应的氧气产生电化学反应，并且因而生成水，并且同时通过电子的流动产生电能。
在上述燃料电池电堆中的反应之后，将排放气体排出电堆。该排放气体是湿空气。
因此，当在反应之后从燃料电池电堆排出的排放气体，也就是湿空气，首先从壳体101的进口104供应至中空纤维膜束的***部分的中空纤维膜106时，湿空气可以顺畅地穿透不仅是***部分中空纤维膜106，还有中空纤维膜束的中心部分的中空纤维膜106，因为中空纤维膜束的中心部分的中空纤维膜106是由通过用于为湿空气形成流动通道的缓冲和间隔结构110预定的距离，均匀远离彼此间隔。
同时，缓冲和间隔结构110是由亲水材料(例如，与中空纤维膜相同的材料)制成的，并且因而可以更容易地将湿空气的湿气传输至与各结构110相邻的中空纤维膜106，同时在结构110上形成露珠。
此外，通过在结构110的径向上形成在各结构110上的湿空气导孔或槽112，湿空气可以更容易地穿透各中空纤维膜106。
因各中空纤维膜106的毛细作用如上所述的穿透的湿空气的湿气与湿空气分离。分离的湿气凝结同时渗透中空纤维膜106的毛细管，并且因而移动通过中空纤维膜106的内部。
同时，借助于送风机202的驱动，将环境空气(干燥空气)通过壳体101的供应口102供应。通过供应口102供应的干燥空气移动通过中空纤维膜的内部。此时，从湿空气分离的湿气已经移动至中空纤维膜106的内部，并且因而该干燥空气由湿气加湿。将加湿的空气通过排出口103供应至燃料电池电堆的阴极。
同时，依照由湿空气分离湿气产生的空气沿中空纤维膜106的外侧移动，以直接通过壳体101的出口105排放至外部。
因此，湿空气可以更容易地穿透相邻的中空膜106之间，因为通过缓冲和间隔结构110，该结构110由亲水材料制成，以及在结构110的径向上形成在各结构110上的湿空气导孔或槽112，可以容易地确保中空纤维膜106之间(特别是，中心部分中空纤维膜106之间)的空间，也就是湿空气的流动通道。结果是，与常规的实施方式相比，可以进一步增强膜加湿器的加湿效率。
同时，在其中由送风机202引入加湿器的空气压力较高的变压***中，可能存在倾斜现象(leaning phenomenon)，其中设置在膜加湿器中的中空纤维膜向一侧倾斜或可能出现中空纤维膜破损的风险。然而，根据本公开，即使当将高压的空气施加于中空纤维膜106，也可以防止其中中空纤维膜106向一侧倾斜或断裂的现象，因为缓冲和间隔结构110支撑并缓冲中空纤维膜106。
如由以上描述可见的，本公开提供以下效果。
第一，当依照变压***的使用，其中从送风机引入加湿器的空气压力较高，将高压空气施加于中空纤维膜时，通过各自设置在相邻中空纤维膜之间的用于缓冲和间隔中空纤维膜的结构的支撑和缓冲功能，可以防止其中中空纤维膜向一侧倾斜或断裂的现象。
第二，由于中空纤维膜由通过用于缓冲和间隔中空纤维膜的结构彼此隔开预定距离，可以在相邻的中空纤维膜之顺畅地供应湿空气，并且将干燥空气均匀地分配入中空纤维膜的内部。因此，可以实现加湿性能的增强。
第三，由于在使用灌封材料灌封中空纤维膜的相对两端时，将用于缓冲和间隔中空纤维膜的结构与中空纤维膜一同灌封，通过结构的支撑和缓冲作用，在灌封工艺期间可以防止其中中空纤维膜扭曲的现象。
第四，因为用于缓冲和间隔中空纤维膜的结构是由亲水材料制成的，并且在结构的径向上在各结构上形成了湿空气导孔或槽，湿空气可以更顺畅地在相邻的中空纤维膜之间流动。因此，可以进一步增强加湿性能。
已参照其优选实施方式详细地描述了本公开。然而，本领域技术人员应理解，可在不偏离本公开的原理和精神(其范围限定在随附权利要求及其等同物中)的情况下，对这些实施方式做出改变。
Claims (8)
1.一种膜加湿器，包括：
缓冲和间隔结构，各自置于设置在所述膜加湿器的壳体中的多个中空纤维膜的相邻的中空纤维膜之间，
其中，所述缓冲和间隔结构缓冲从送风机供应的空气的压力，并且维持所述相邻的中空纤维膜之间的间隔。
2.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述缓冲和间隔结构设置成使得最大数量的缓冲和间隔结构设置在中心部分，并且朝向***部分设置逐渐减少数量的缓冲和间隔结构。
3.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述缓冲和间隔结构包含亲水材料。
4.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述缓冲和间隔结构具有比所述中空纤维膜更大的直径以及与所述中空纤维膜长度相等的长度。
5.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述缓冲和间隔结构具有选自包括以下的组的形状：笔直形状、之字形状、突起/凹槽形状、螺旋弹簧形状、折线形状，以及网眼卷形状。
6.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，所述缓冲和间隔结构的相对两端与所述中空纤维膜的相对两端使用灌封材料灌封在一起。
7.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，在所述缓冲和间隔结构的径向上，在各所述缓冲和间隔结构上形成有湿空气引导孔。
8.根据权利要求1所述的膜加湿器，其中，在所述缓冲和间隔结构的径向上，在各所述缓冲和间隔结构上形成有湿空气槽。
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