CN117716549A - 膜加湿器筒体和包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种膜加湿器筒体和包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器，所述筒体能够防止容纳在该筒体中的中空纤维膜被流体损坏。所述膜加湿器筒体可以包括：内壳体，其中容纳有中空纤维膜，第一流体在该中空纤维膜中流动，并且该内壳体包括具有第一硬度的材料；灌封部，固定所述中空纤维膜的末端；第一网孔部，通过其引入第二流体，并且该第一网孔部包括多个窗口；和第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的所述第二流体在通过所述中空纤维膜与所述第一流体交换水分之后通过该第二网孔部排出，并且该第二网孔部包括多个窗口。所述第一网孔部和所述第二网孔部中的至少任意一个可以包括冲击吸收部，该冲击吸收部包括具有比所述第一硬度低的第二硬度的材料。
Description
技术领域
本公开涉及一种膜加湿器筒体和包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器，更具体地，涉及一种膜加湿器筒体，其中可以防止容纳在筒体中的中空纤维膜被流体损坏，以及一种包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器。
背景技术
燃料电池是指通过结合氢气和氧气而产生电力的发电电池。与常规化学电池如干电池、蓄电池等不同，只要供应氢气和氧气，燃料电池就可以连续地产生电力，并且由于没有热损失，效率是内燃机的两倍。
此外，因为通过结合氢气和氧气产生的化学能被直接转化为电能，燃料电池排放的污染物水平低。因此，燃料电池不仅是环境友好的，而且减少了由于能量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，燃料电池可以大致被划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)、碱性燃料电池(AFC)等。
每种燃料电池的工作原理基本相同，但是使用的燃料的类型、工作温度、催化剂、电解质等各不相同。其中，PEMFC由于在比其它燃料电池更低的温度下运行并且由于它们的高功率密度而可以小型化，因此，其被认为是不仅在小型固定发电设备中，而且在运输***中是最有前景的燃料电池。
改善PEMFC的性能的重要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)供应一定量的水分以保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜干燥时，发电效率骤然降低。
加湿聚合物电解质膜的方法可以包括：1)用水填充耐压容器并使目标气体经过扩散器来供应水分的鼓泡加湿法；2)计算燃料电池反应所需要的水分并且通过电磁阀向气体流管直接供应水分的直接注射法；和3)通过使用聚合物分离膜向气体流化床供应水分的加湿膜法等。
在这些方法中，膜加湿法通过使用选择性地允许废气中包含的水蒸气通过的膜，将水蒸气提供给供应至聚合物电解质膜的空气，从而加湿聚合物电解质膜，这有利于使膜加湿器更轻和更紧凑。
当形成模块时，膜加湿法中使用的选择性渗透膜可以优选地为每单位体积具有大渗透面积的中空纤维膜。即，当使用中空纤维膜制造膜加湿器时，具有大接触表面积的中空纤维膜可以高度集成，因此，仅使用少量的中空纤维膜就可以实现燃料电池的充分加湿，可以使用低成本的材料，并且可以通过膜加湿器回收和再利用在高温下从燃料电池排出的废气中包含的水分和热量。
发明内容
技术问题
本公开提供了一种膜加湿器筒体，其中可以防止容纳在筒体中的中空纤维膜被流体损坏，以及一种包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器。
技术方案
根据本公开的一个实施方案，膜加湿器筒体可以包括：内壳体，其中容纳有中空纤维膜，第一流体在该中空纤维膜中流动，并且该内壳体包括具有第一硬度的材料；灌封部，固定所述中空纤维膜的末端；第一网孔部，通过其引入第二流体，并且该第一网孔部包括多个窗口；和第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的所述第二流体在通过所述中空纤维膜与所述第一流体交换水分之后通过该第二网孔部排出，并且该第二网孔部包括多个窗口。所述第一网孔部和所述第二网孔部中的至少任意一个可以包括冲击吸收部，该冲击吸收部包括具有比所述第一硬度低的第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体中，冲击吸收部可以包括吸收层，该吸收层形成在通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部的中空纤维膜侧表面上，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体中，所述冲击吸收部可以包括吸收层，该吸收层形成为围绕通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体中，在所述内壳体中可以形成开口，所述第一网孔部和所述第二网孔部可以形成在所述冲击吸收部中，所述冲击吸收部可以是覆盖形成在所述内壳体中的所述开口的吸收板，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体中，所述第一硬度可以在肖氏D 20至肖氏D 80的范围内，所述第二硬度可以在肖氏A 5至肖氏A 80的范围内。
根据本公开的一个实施方案，燃料电池膜加湿器在第一流体与第二流体之间进行水分交换，并且包括：中间壳体；将第二流体引入到中间壳体中的第二流体入口；将第二流体排出至外部的第二流体出口；和至少一个筒体，设置在所述中间壳体中并且容纳多个中空纤维膜。所述筒体可以包括：内壳体，其中容纳有中空纤维膜，第一流体在该中空纤维膜中流动，并且该内壳体包括具有第一硬度的材料；灌封部，固定所述中空纤维膜的末端；第一网孔部，通过其引入所述第二流体，并且该第一网孔部包括多个窗口；和第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的所述第二流体在通过所述中空纤维膜与所述第一流体交换水分之后通过该第二网孔部排出，并且该第二网孔部包括多个窗口。所述第一网孔部和所述第二网孔中的至少任意一个可以包括冲击吸收部，该冲击吸收部包括具有比所述第一硬度低的第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，冲击吸收部可以包括吸收层，该吸收层形成在通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部的中空纤维膜侧表面上，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述冲击吸收部可以包括吸收层，该吸收层形成为围绕通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，在所述内壳体中可以形成开口，所述第一网孔部和所述第二网孔部可以形成在所述冲击吸收部中，所述冲击吸收部可以是覆盖形成在所述内壳体中的所述开口的吸收板，并且包括具有第二硬度的材料。
在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述第一硬度可以在肖氏D 20至肖氏D 80的范围内，所述第二硬度可以在肖氏A 5至肖氏A80的范围内。
根据本公开的各个方面的实施方式的具体说明包括在下面详细说明中。
有益效果
根据本公开的实施方案，在流体流动方向上波动的中空纤维膜可以接触软质材料的冲击吸收部，以减少中空纤维膜中发生的摩擦，从而减少由长时间重复使用引起的损坏。
附图说明
图1是示出了根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图。
图2是示出了根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的平面图。
图3是从图2的A-A′线观察的剖视图。
图4是示出了安装在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器上的筒体的平面图。
图5是从图4的B-B′线观察的剖视图。
图6是从图4的C-C′线观察的剖视图。
图7是示出了安装在根据本公开的另一实施方案的燃料电池膜加湿器上的筒体的平面图。
图8是示出了图7的筒体的平面图。
图9是从图8的D-D′线观察的剖视图。
具体实施方式
本公开可以具有对其的各种修改和各种实施方案，因此，将在详细说明书中具体示出和描述特定实施方案。然而，应当理解，这并不意在将本公开限制于本公开的特定实施方案，而是应当理解为包括落在本公开的构思和范围内的所有改变、等同物和替换。
本公开中使用的术语用于描述特定的实施方案，并不意在限制本公开。除非上下文另有明确指示，否则单数形式也包括复数形式。本文中，应当理解的是，本文中使用的术语“包括”、“具有”等意在表示存在说明书中描述的特征、数值、步骤、操作、要素、部件或它们的组合，并且不排除存在或增加一个或多个其它特征、数值、步骤、操作、要素、部件或它们的组合。下文中，将参照附图描述根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体和包括该膜加湿器筒体的燃料电池膜加湿器。
图1是示出了根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的前视图，图2是示出了根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的平面图，图3是从图2的A-A′线观察的剖视图。
如图1至图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可以包括加湿模块110和封盖120。
加湿模块110可以在从外部供应的第一流体与从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体之间进行水分交换。封盖120可以与加湿模块110的两端结合。用于将从外部供应的第一流体供应至加湿模块110的第一流体入口121可以形成在封盖120的任意一个中，用于将由加湿模块110加湿的第一流体供应至燃料电池堆的第一流体出口122可以形成在封盖120的另一个中。
加湿模块110可以包括：具有第二流体入口112和第二流体出口113的中间壳体111；和设置在中间壳体111中的至少一个筒体20。从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体可以引入至第二流体入口112，以在加湿模块110中交换水分，然后可以通过第二流体出口113排出。
此处，经由第二流体入口112或第二流体出口113引入/排出/通过的流体不限于第二流体。经由第一流体入口121或第一流体出口122引入/排出/通过的流体不限于第一流体。根据设计，封盖120中的一个可以将第二流体供应至加湿模块110以使得第二流体能够在中空纤维膜内部流动，并且封盖120的另一个可以将已经交换水分的第二流体排出至外部。此外，在这种情况下，第一流体可以通过第二流体入口112或第二流体出口113中的任意一个引入，并且由加湿模块110加湿的第一流体可以通过另一个供应至燃料电池堆。第一流体的流动方向和第二流体的流动方向可以彼此相同或者相反。
中间壳体111和封盖120可以各自独立地由硬质塑料或金属形成，并且具有圆形或多边形横截面。圆形形状可以包括椭圆形形状，多边形形状可以包括具有圆角的多边形。例如，所述硬质塑料可以包括聚碳酸酯、聚酰胺(PA)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)等。中间壳体111的内部空间可以通过屏障114分为第一空间S1和第二空间S2。
图4是示出了安装在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器上的筒体的平面图，图5是从图4的B-B′线观察的剖视图，图6是从图4的C-C′线观察的剖视图。
参照图4至图6，根据本公开的一个实施方案的膜加湿器筒体20可以包括多个中空纤维膜21、灌封部22、内壳体23和冲击吸收部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、或由它们中的至少两种的混合物形成的聚合物膜。
灌封部22可以固定中空纤维膜21的末端。灌封部22可以通过浇铸法如深灌封、离心灌封等由固化液体树脂如液体聚氨酯树脂来形成。
内壳体23可以在其每个末端处具有开口，并且在其中容纳多个中空纤维膜21。中空纤维膜21的端部被灌封在其中的灌封部22可以封闭内壳体23的开口。内壳体23可以包括：布置为网形式用于与第一空间S1流体连通的第一网孔部MH1；和布置为网形式用于与第二空间S2流体连通的第二网孔部MH2。
通过第二流体入口112引入至中间壳体111的第一空间S1的第二流体可以通过其中形成有多个窗口W的第一网孔部MH1流入到内壳体23中，由此可以接触中空纤维膜21的外表面。然后，已经与第一流体交换水分的第二流体可以通过其中形成有多个窗口W的第二网孔部MH2退出至第二空间S2，然后可以通过第二流体出口113从中间壳体111排出。
当第二流体的流动方向与引入至第一流体入口121的第一流体的流动方向相反时，通过第二流体出口113引入至中间壳体111的第二空间S2的第二流体可以通过第二网孔部MH2流入内壳体23中，并且接触中空纤维膜21的外表面。然后，已经与第一流体交换水分的第二流体可以通过第一网孔部MH1退出至第一空间S1，然后可以通过第二流体出口112从中间壳体111排出。
内壳体23可以由具有第一硬度的材料形成，以保护中空纤维膜21免受第二流体的压力。例如，第一硬度可以在肖氏D 20至肖氏D 80的范围内。更具体地，内壳体23可以由硬质材料的塑料形成。
同时，在常规膜加湿器筒体中，容纳在内壳体23中的中空纤维膜21可以由通过第一网孔部MH1引入至内壳体23中的第二流体而引起在流动方向上的波动。随着中空纤维膜21在波动的同时重复接触形成窗口W的接合部24，中空纤维膜21会因摩擦而损坏(划伤、断开等)。当第二流体通过第二网孔部MH2排出至外部时，也会发生这种情况。
为了防止中空纤维膜21被损坏，本公开可以包括冲击吸收部25。
冲击吸收部25可以由具有比内壳体23的硬度低的第二硬度的材料形成。例如，所述第二硬度可以在肖氏A 5至肖氏A 80的范围内。更具体地，冲击吸收部25可以由软质橡胶材料如氨基甲酸乙酯、硅氧烷等形成。
冲击吸收部25可以通过在通过切割内壳体23的一部分而形成的接合部24上进行双注射来形成。窗口W可以是通过，例如，四个接合部24而形成的内部空间。窗口W的形状可以不限于此，并且可以形成为各种形状如多边形形状、圆形形状、椭圆形形状等。
在一个实施方案中，如图4至图6中所示，冲击吸收部25可以形成为由具有第二硬度的材料形成的吸收层。所述吸收层可以通过双注射形成为围绕接合部24。或者，所述吸收层可以形成在接合部24的中空纤维膜侧表面上。
由第二流体波动的中空纤维膜21可以接触包括软质材料的冲击吸收部25，从而减小中空纤维膜21与冲击吸收部25之间的摩擦。因此，尽管由于长期使用而重复接触，仍可以减小因摩擦引起的损坏(划伤、断开等)。
接下来，将参照图7至图9来描述根据另一实施方案的膜加湿器筒体。图7是示出了安装在根据本公开的另一实施方案的燃料电池膜加湿器上的筒体的透视图，图8是示出了图7的筒体的平面图，图9是从图8的D-D′线观察的剖视图。
参照图7至图9，根据本公开的另一实施方案的膜加湿器筒体20可以包括多个中空纤维膜21、灌封部22、内壳体23和冲击吸收部26。
中空纤维膜21和灌封部22的描述与上述实施方案中的描述基本相同，因此不再重复。
在当前实施方案中，代替接合部24的开口23a可以形成在内壳体23中，冲击吸收部26可以形成为***到开口23a中以覆盖开口23a的吸收板的形式。冲击吸收部26可以由具有比内壳体23的硬度(第一硬度)低的第二硬度的材料形成。例如，冲击吸收部26可以由软质橡胶材料如氨基甲酸乙酯、硅氧烷等形成。
用于将第二流体引入并排出的多个窗口W可以形成在冲击吸收部26中，并且可以形成网孔部MH1和MH2。即，在当前实施方案中，冲击吸收部26可以在用作网孔部MH1和MH2的同时，减少与中空纤维膜21的摩擦。
由通过形成在冲击吸收部26中的窗口W引入的第二流体而波动的中空纤维膜21可以接触由软质材料形成的冲击吸收部26，从而减少中空纤维膜21与冲击吸收部26之间的摩擦。因此，尽管由于长期使用而重复接触，仍可以减小由摩擦引起的损坏(划伤、断开等)。
尽管上面已经描述了本公开的实施方案，本领域的普通技术人员在不脱离如权利要求书中所述的本公开的构思的情况下，也可以通过添加、改变、删除或附加组成来对本公开进行各种修改和改变，并且这样的修改和改变也可以落在本公开的范围内。
[附图标记说明]
110：加湿模块 111：中间壳体
112：第二流体入口 113：第二流体出口
114：屏障 120：封盖
20：筒体 21：中空纤维膜
22：灌封部 23：内壳体
24：接合部 25、26：冲击吸收部
MH1：第一网孔部 MH2：第二网孔部
Claims (10)
1.一种膜加湿器筒体，包括：
内壳体，其中容纳有中空纤维膜，第一流体在该中空纤维膜中流动，并且该内壳体包括具有第一硬度的材料；
灌封部，固定所述中空纤维膜的末端；
第一网孔部，通过其引入第二流体，并且该第一网孔部包括多个窗口；和
第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的所述第二流体在通过所述中空纤维膜与所述第一流体交换水分之后通过该第二网孔部排出，并且该第二网孔部包括多个窗口，
其中，所述第一网孔部和所述第二网孔中的至少任意一个包括冲击吸收部，该冲击吸收部包括具有比所述第一硬度低的第二硬度的材料。
2.根据权利要求1所述的膜加湿器筒体，其中，所述冲击吸收部包括吸收层，该吸收层形成在通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部的中空纤维膜侧表面上并且包括具有所述第二硬度的材料。
3.根据权利要求1所述的膜加湿器筒体，其中，所述冲击吸收部包括：
接合部，通过切割所述内壳体的一部分形成；和
吸收层，形成为围绕所述接合部并且包括具有所述第二硬度的材料。
4.根据权利要求1所述的膜加湿器筒体，其中，开口形成在所述内壳体中，
所述第一网孔部和所述第二网孔部形成在所述冲击吸收部中，
所述冲击吸收部是覆盖形成在所述内壳体中的所述开口的吸收板并且包括具有所述第二硬度的材料。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的膜加湿器筒体，其中，所述第一硬度在肖氏D 20至肖氏D 80的范围内，所述第二硬度在肖氏A 5至肖氏A 80的范围内。
6.一种燃料电池膜加湿器，在第一流体与第二流体之间进行水分交换，并且包括：
中间壳体；
将所述第二流体引入到所述中间壳体中的第二流体入口；
将所述第二流体排出至外部的第二流体出口；和
至少一个筒体，设置在所述中间壳体中并且容纳多个中空纤维膜，
其中，所述筒体包括：
内壳体，其中容纳有中空纤维膜，所述第一流体在该中空纤维膜中流动，并且该内壳体包括具有第一硬度的材料；
灌封部，固定所述中空纤维膜的末端；
第一网孔部，通过其引入所述第二流体，并且该第一网孔部包括多个窗口；和
第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的所述第二流体在通过所述中空纤维膜与所述第一流体交换水分之后通过该第二网孔部排出，并且该第二网孔部包括多个窗口，
所述第一网孔部和所述第二网孔部中的至少任意一个包括冲击吸收部，该冲击吸收部包括具有比所述第一硬度低的第二硬度的材料。
7.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述冲击吸收部包括吸收层，该吸收层形成在通过切割所述内壳体的一部分而形成的接合部的中空纤维膜侧表面上并且包括具有所述第二硬度的材料。
8.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述冲击吸收部包括：
接合部，通过切割所述内壳体的一部分形成；和
吸收层，形成为围绕所述接合部并且包括具有所述第二硬度的材料。
9.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，其中，开口形成在所述内壳体中，
所述第一网孔部和所述第二网孔部形成在所述冲击吸收部中，
所述冲击吸收部是覆盖形成在所述内壳体中的所述开口的吸收板并且包括具有所述第二硬度的材料。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述第一硬度在肖氏D 20至肖氏D 80的范围内，所述第二硬度在肖氏A 5至肖氏A 80的范围内。
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