用于燃料電池的膜加濕器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于燃料電池的膜加濕器，包括：具有第一端和第二端的殼體；具有第一端和第二端的中空纖維膜組件；具有入口和第一殼體連接端的第一外殼；具有出口和第二殼體連接端的第二外殼；多個(gè)中空纖維膜；以及中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)中空纖維膜位于所述殼體內(nèi)；所述殼體位于所述中空纖維膜組件內(nèi)，使得在所述第一外殼被裝配到所述第一殼體端上時(shí)，所述第一殼體連接端鄰接所述中空纖維膜組件的所述第一端，并且在所述第二外殼被裝配到所述第二殼體端上時(shí)，所述第二殼體連接端鄰接所述中空纖維膜組件的所述第二端；并且所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)周向連接于所述殼體的端部。
【專利說明】用于燃料電池的膜加濕器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的膜加濕器。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池包括:產(chǎn)生電能的燃料電池組；向燃料電池組供應(yīng)燃料(例如氫)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)；向燃料電池組供應(yīng)氧氣的空氣供應(yīng)系統(tǒng)，氧氣包含在空氣中，并作為電化學(xué)反應(yīng)所需的氧化劑；以及控制燃料電池組的操作溫度的熱和水管理系統(tǒng)。
[0003]參考圖1，燃料電池的空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括:將外部空氣供應(yīng)到燃料電池組10的陰極的鼓風(fēng)機(jī)30，和將鼓風(fēng)機(jī)30供應(yīng)的空氣加濕并將加濕后的空氣供應(yīng)到燃料電池組的陰極的膜加濕器20。
[0004]在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池的情況下，燃料電池的操作需要水，并且通常需要用于加濕空氣的加濕器。為了使空氣濕潤(rùn)，可以利用諸如使用起泡器、注入劑和吸收劑的各種方法。然而，由于用于車輛的燃料電池的尺寸受到較大地限制，因此燃料電池車輛使用體積相對(duì)較小且不需要?jiǎng)恿Φ哪ぜ訚衿鳌?br> [0005]圖2和圖3示出傳統(tǒng)的膜加濕器。這種膜加濕器包括外殼100、中空纖維膜組件200、以及歧管106和108。外殼100包括入口 102，形成于外殼的一個(gè)側(cè)端，用于接收來自鼓風(fēng)機(jī)30的外部空氣(例如，干燥空氣)；以及出口 104，形成于外殼的另一側(cè)端，向燃料電池組10排放經(jīng)加濕的空氣。歧管106形成于外殼100的上表面上，靠近出口 104，以接收從燃料電池組排放的濕潤(rùn)空氣，而歧管108形成于外殼100的下表面，靠近入口 102，以便將通過對(duì)來自鼓風(fēng)機(jī)的空氣加濕而得到的濕潤(rùn)空氣排放到外部。
[0006]此外，中空纖維膜組件200包括容納在其中的一束中空纖維膜202，并且其中形成有歧管106和108的外殼100連接于中空纖維膜組件200的兩端，圍繞中空纖維膜組件200。
[0007]下面簡(jiǎn)單地描述具有上述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)膜加濕器的操作。
[0008]如圖3所示，當(dāng)從燃料電池組排出的濕潤(rùn)空氣通過外殼100的歧管106被供應(yīng)到中空纖維組件200的內(nèi)部時(shí)，通過被容納在外殼100中的各個(gè)中空纖維膜202的毛細(xì)管作用分離濕潤(rùn)空氣中包含的水。當(dāng)穿過中空纖維膜202的毛細(xì)管時(shí)，經(jīng)分離的水被濃縮并移動(dòng)到中空纖維膜202中。此時(shí)，被分離了水的濕潤(rùn)空氣移動(dòng)到中空纖維膜202的外部，并且通過外殼100的歧管108排出作為外部空氣。
[0009]當(dāng)穿過中空纖維膜202時(shí)，從鼓風(fēng)機(jī)30通過外殼100的入口 102供應(yīng)的外部空氣(例如，干燥空氣)被移動(dòng)。此時(shí)，由于從濕潤(rùn)空氣中分離的水已被移動(dòng)到中空纖維膜202中，因此干燥空氣被水加濕。經(jīng)加濕的空氣通過出口 104被供應(yīng)到燃料電池組10。
[0010]接下來，將說明用于生產(chǎn)具有上述結(jié)構(gòu)的膜加濕器的中空纖維膜組件的傳統(tǒng)制造方法和操作。
[0011]首先，制造殼體，并且將所需數(shù)目的中空纖維膜容納在殼體中。然后，將聚合物材料(polymer material)注入到中空纖維膜的兩端中，以將中空纖維膜固定到殼體上。該過程被稱為“灌注(potting)”或“灌注工藝”。用于灌注的聚合物材料可以包括聚氨酯類樹脂材料，并且灌注工藝可以包括浸潰工藝和離心成型工藝。如圖4所示，浸潰工藝?yán)弥亓Φ氖褂?，并且操作如?首先，將其中容納有一束中空纖維膜202的殼體204插入到樹脂注入裝置中；然后當(dāng)通過樹脂注入裝置的入口注入聚合物材料時(shí)，由于重力作用，在滲透于密集容納的中空纖維膜之間時(shí)，被注入的聚合物材料，在重力的作用下，將中空纖維膜束固定。
[0012]圖5A-?是說明這種灌注工藝的圖示。灌注工藝包括如圖5A所示制備殼體、如圖5B所示在其上放置灌注蓋300、如圖5C所示插入中空纖維膜202、以及如圖所示注入樹脂 310。
[0013]在灌注工藝之后，對(duì)聚合物材料進(jìn)行干燥，并且利用切割裝置部分地切割灌注部分的端部。然后，可以獲得具有如圖6所示的橫截面結(jié)構(gòu)的中空纖維膜組件。
[0014]根據(jù)傳統(tǒng)方法，灌注的材料根據(jù)溫度變化而反復(fù)地收縮和膨脹。由于灌注材料的反復(fù)收縮和膨脹，因而預(yù)定時(shí)間過后，在灌注材料310與殼體204之間會(huì)形成縫隙320，如圖7A和7B所示。由于存在縫隙320，因此不能保持氣密性。圖8是示出在灌注材料與殼體之間形成縫隙的狀態(tài)的相片。
[0015]在傳統(tǒng)方法中，在加濕器內(nèi)部的空氣流會(huì)對(duì)聚合物中空纖維膜施加壓力。在此情況下，可以在中空纖維膜與灌注材料310的底部相接觸的部分對(duì)中空纖維膜進(jìn)行切割。
[0016]此外，當(dāng)通過灌注材料灌注聚合物中空纖維膜時(shí)，中空纖維膜的灌注部分不能用作加濕膜。也就是說，當(dāng)灌注部分被形成為具有較大厚度時(shí)，加濕器的加濕性能降低。因此，需要一種膜類加濕器，其在物理應(yīng)力(例如誘導(dǎo)膨脹/收縮的溫度、空氣壓力等)下不會(huì)變形，因此不會(huì)形成縫隙，同時(shí)即使用于厚膜時(shí)仍能維持加濕性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明提供一種用于具有特定結(jié)構(gòu)的用于燃料電池的膜加濕器，其能夠防止在灌注材料與殼體之間形成間隙。本發(fā)明也涉及用于具有特定結(jié)構(gòu)的燃料電池的膜加濕器，其能夠防止中空纖維膜在其與灌注材料的底部相接觸的部分被加濕器中的氣流切斷。本發(fā)明還涉及用于具有特定結(jié)構(gòu)的燃料電池的膜加濕器，其中通過灌注材料灌注的聚合物中空纖維膜的灌注部分可以起加濕膜的作用。
[0018]本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)，通過以下描述并且參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例將變得更加易于理解和顯而易見。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，用于燃料電池的膜加濕器包括:殼體；覆蓋殼體的中空纖維膜組件；連接于中空纖維膜兩端的外殼；布置在殼體中的多個(gè)中空纖維膜；以及中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，其安裝在中空纖維膜組件的一端或兩端，并且具有在其中形成用來多個(gè)中空纖維膜的灌注材料層。
[0020]可以對(duì)中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行劃分，以便均勻地分割多個(gè)中空纖維膜。中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可以被劃分成四個(gè)部分、八個(gè)部分或者十二個(gè)部分。
[0021]多個(gè)中空纖維膜可被布置在殼體內(nèi)以均勻地分配被劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。
[0022]此外，還可以通過被劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來劃分灌注材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是示出傳統(tǒng)燃料電池的空氣供應(yīng)系統(tǒng)的示意圖；[0024]圖2和3是傳統(tǒng)膜加濕器的透視圖和橫截面圖；
[0025]圖4是用于說明包括在傳統(tǒng)膜加濕器中的中空纖維膜組件的灌注工藝的示意圖；
[0026]圖5A?示出傳統(tǒng)的灌注工藝；
[0027]圖6是在傳統(tǒng)灌注工藝之后形成的中空纖維膜組件的透視圖；
[0028]圖7A和7B是示出傳統(tǒng)灌注材料會(huì)相對(duì)于外殼殼體形成縫隙的示意圖；
[0029]圖8是示出傳統(tǒng)灌注材料已經(jīng)從圖7所示的外殼殼體分離的實(shí)施例的圖；
[0030]圖9是應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的中空纖維膜組件的概念圖；
[0031]圖10是圖9的示例性中空纖維膜組件的部分透視圖；
[0032]圖1lA?IlC是說明圖9或10所示的示例性結(jié)構(gòu)的形狀的概念視圖；
[0033]圖12A和12B是說明與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的作用的概念圖。
[0034]貫穿整個(gè)說明書，在本發(fā)明的所有視圖和實(shí)施方式中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。然而，本發(fā)明可以以不同的形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)該被理解為限制在本說明書陳述的示例性實(shí)施例中。更確切地，提供這些示例性實(shí)施例，是為了本公開可以詳盡和完整，并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地闡示本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0036]盡管“第一”、“第二”等術(shù)語可用來描述各個(gè)組件，但是部件不必受術(shù)語限制。術(shù)語只用于區(qū)分一個(gè)組件和其他部件。例如，在不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，第一組件可被稱為第二組件，而第二組件可被稱為第一組件。此外，術(shù)語“和/或”可以包括相關(guān)項(xiàng)目的組合或者相關(guān)項(xiàng)目中的任何一個(gè)。
[0037]本文中所使用的術(shù)語，包括技術(shù)術(shù)語或科學(xué)術(shù)語在內(nèi)，只要它們以不同方式限定，可以具有如本發(fā)明適合的本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的相同意思。
[0038]只要其沒有在本說明書中定義，如通常所使用的字典中定義的術(shù)語應(yīng)該分析為具有如在相關(guān)技術(shù)的背景中的相同意思，不應(yīng)該分析為理想的意思或者過分正規(guī)的意思。
[0039]可以理解的是，本文中所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術(shù)語包括一般而言的機(jī)動(dòng)車輛，比如包含運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV)、公共汽車、貨車，各種商用車輛的客車、包含各種輪船和艦船的船只、飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、氫動(dòng)力汽車和其它替代燃料汽車(例如，從除了石油以外的資源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合動(dòng)力車輛是具有兩種或多種動(dòng)力來源的車輛，例如汽油動(dòng)力車輛和電動(dòng)動(dòng)力車輛二者。
[0040]接下來將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例所述的具有特定結(jié)構(gòu)的用于燃料電池的膜加濕器。
[0041]圖9是應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的中空纖維膜組件的概念圖。參考圖9，中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430可以安裝在殼體400的一側(cè)。為了便于描述，圖9中示出中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430可以僅僅安裝在殼體400的左側(cè)。然而，中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430可以安裝在殼體400的任一側(cè)或者兩側(cè)。[0042]在殼體的內(nèi)部，可以布置彼此間隔預(yù)定距離的多個(gè)中空纖維膜410。此外，用于固定多個(gè)中空纖維膜410的灌注材料層420可以形成在中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430里面?？梢酝ㄟ^如圖5所示的制備殼體、放置灌注蓋、插入中空纖維膜以及注入樹脂的工藝來形成灌注材料層420。
[0043]在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，可以在制備殼體的工藝之后，另外執(zhí)行在所制備的殼體400中安裝中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的工藝。具體地說，首先在步驟SI中，生產(chǎn)和制備殼體400。當(dāng)制備好殼體400時(shí)，可以在殼體400的一側(cè)覆蓋上灌注蓋之后，安裝中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430，并且可以在步驟S2中安裝中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430。然后，可以在步驟S3中，將所需數(shù)目的中空纖維膜容納在殼體400中。接著，可以在步驟S4中，將聚合物材料注入到中空纖維膜的兩端中以便將中空纖維膜固定到殼體400上。該工藝稱為灌注工藝。
[0044]在本發(fā)明的該實(shí)施例中，如圖5A-?所示，利用了重力。具體地，聚合物材料可以穿過樹脂入口(未示出)而被注入，然后當(dāng)在密集形成的中空纖維膜之間滲透時(shí)，在重力作用下，固定中空纖維膜。此時(shí)，還可以通過樹脂將中空纖維膜束固定在灌注材料層420上。
[0045]圖10是圖9所示的中空纖維膜組件的局部透視圖。參考圖10，中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430可以安裝在殼體400的頂部。中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430可以用作中空纖維膜的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，因此可以防止膜被空氣流斷開，而不像傳統(tǒng)的膜加濕器那樣。
[0046]圖11A-11C是示出圖9或10所示的中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的橫截面形狀的概念圖。參考圖11A-11C，可以以各種方式來劃分中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430。
[0047]圖1lA示出可以將中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的內(nèi)部劃分成四個(gè)部分。圖1lB示出可以將中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的內(nèi)部劃分成八個(gè)部分。圖1lC示出可以將中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的內(nèi)部劃分成十二個(gè)部分。這些只是實(shí)施例，可以將中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的內(nèi)部劃分成若干個(gè)部分和/或若干種形狀，例如矩形形狀、多邊形形狀、圓形形狀等。
[0048]也就是說，中空纖維導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430的內(nèi)部可被劃分成四個(gè)部分、八個(gè)部分或者十二個(gè)部分。同時(shí)地，圖9所示的灌注材料層420的灌注材料也可通過中空纖維膜結(jié)構(gòu)而被劃分。因此，容納在殼體中的多個(gè)中空纖維膜均勻地分布在經(jīng)劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)430和殼體400中。
[0049]圖12A和12B是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的膜加濕器與常規(guī)膜加濕器的效果的概念圖。圖12A示出在傳統(tǒng)膜加濕器中的中空纖維膜的布置狀態(tài)，而圖12B示出在根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的膜加濕器中的中空纖維膜的布置狀態(tài)。具體地說，圖12A示出中空纖維膜沒有均勻分布而是分布在一側(cè)(例如，聚成一團(tuán))的狀態(tài)。然而，圖12B示出中空纖維膜沒有囤積在一側(cè)，而是均勻地分布和布置的狀態(tài)。
[0050]因此，通過應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)可以減少灌注材料的數(shù)量。此外，在傳統(tǒng)的膜加濕器中，只有灌注層來支撐膜。然而，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，中空纖維膜結(jié)構(gòu)和灌注層都支撐膜。因此，可以使灌注層的厚度最小化。這意味著可以增加中空纖維膜的區(qū)域，其在傳統(tǒng)的膜加濕器中由于灌注層而沒有被使用。
[0051]而且，由于中空纖維膜均勻地分布，因此考慮到加濕器的性能，可以均勻地利用整個(gè)中空纖維膜。因此，可以改善膜加濕器的性能。由于膜加濕器的性能改善意味著膜的數(shù)量的減少，因此可以降低生產(chǎn)成本。
[0052]此外，由于具有被劃分成所需數(shù)目部分的特定形狀的結(jié)構(gòu)被安裝在殼體一側(cè)的頂部，因此，可劃分灌注材料的區(qū)域，使得因灌注材料的收縮和膨脹所引起的熱變形最小。因此，可以防止在灌注材料與殼體之間形成縫隙。
[0053]盡管已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明的原理和精神的情況下，還可以對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行修改，本發(fā)明的范圍被限定在所附的權(quán)利要求及其等價(jià)形式中。
【權(quán)利要求】
1.一種膜加濕器，包括: 具有第一端和第二端的殼體； 具有第一端和第二端的中空纖維膜組件； 具有入口和第一殼體連接端的第一外殼； 具有出口和第二殼體連接端的第二外殼； 多個(gè)中空纖維膜；以及 中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)， 其中所述多個(gè)中空纖維膜位于所述殼體內(nèi)； 所述殼體位于所述中空纖維膜組件內(nèi)，使得在所述第一外殼被裝配到所述第一殼體端上時(shí)，所述第一殼體連接端鄰接所述中空纖維膜組件的所述第一端，并且在所述第二外殼被裝配到所述第二殼體端上時(shí)，所述第二殼體連接端鄰接所述中空纖維膜組件的所述第二立而；并且 所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)周向連接于所述殼體的端部。
2.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)周向連接于所述殼體的所述第一端。
3.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)周向連接于所述殼體的所述第二端。
4.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)周向連接于所述殼體的所述第一端和所述第二端。
5.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)還包括形成于其中的灌注材料層。
6.如權(quán)利要求5所述的膜加濕器，其中所述灌注材料層固定所述多個(gè)中空纖維膜。
7.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面被劃分，以便將所述多個(gè)中空纖維膜均勻地分割成所需的數(shù)目和/或圖案。
8.如權(quán)利要求7所述的膜加濕器，其中所述中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)表面被劃分成四個(gè)部分、八個(gè)部分或者十二個(gè)部分。
9.如權(quán)利要求7所述的膜加濕器，其中所述多個(gè)中空纖維膜布置在所述殼體內(nèi)，以便根據(jù)所述被劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的所需數(shù)目均勻地分布。
10.如權(quán)利要求7所述的膜加濕器，其中所述多個(gè)中空纖維膜布置在所述殼體中，以便根據(jù)所述被劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的所需圖案均勻地分布。
11.如權(quán)利要求7所述的膜加濕器，其中由所述被劃分的中空纖維膜導(dǎo)向結(jié)構(gòu)對(duì)所述灌注材料進(jìn)行劃分。
【文檔編號(hào)】F24F6/00GK103633348SQ201210505796
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月22日
【發(fā)明者】金賢裕, 權(quán)赫律 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車株式會(huì)社