用于燃料電池的膜加濕器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于燃料電池的膜加濕器，其從膜加濕器的內(nèi)部的外側(cè)至中心部分均勻地加濕全部中空纖維膜，以改善濕空氣和干空氣的分布，從而提高加濕性能。該用于燃料電池的膜加濕器包括：中空上殼，其包括第一濕空氣入口孔和第一濕空氣出口孔；以及膜模塊組件，其包括沿干空氣的流動方向縱向收容在上殼內(nèi)的多個單元膜模塊。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
用于燃料電池的膜加濕器
本專利技術(shù)涉及用于燃料電池的膜加濕器。更特別地，涉及一種用于燃料電池的膜加濕器，其從膜的外側(cè)到膜加濕器內(nèi)部的中心部分均勻地加濕整個中空纖維膜，以改善濕空氣和干空氣的分布，從而提高加濕性能。
技術(shù)介紹
燃料電池堆的運行需要加濕燃料電池堆中的聚合物電解質(zhì)膜。因此，燃料電池使用膜加濕器，其通過來自廢氣(即從燃料電池堆排出的濕空氣)的水分與從外部供給的干空氣(例如，環(huán)境供給的冷空氣)之間的水分交換而運行。存在數(shù)種類型的加濕器，例如氣泡型加濕器，注入型加濕器，以及使用吸附劑的加濕器。然而，由于燃料電池車輛的封裝表面僅有有限的空間，因此在燃料電池中使用不需要專用電源的小型膜加濕器。特別地，使用中空纖維膜的膜加濕器已被合適地用于燃料電池的膜加濕器。如圖5中所示，在向燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆200供給空氣(氧氣)的空氣供給系統(tǒng)中包括膜加濕器100，外部干空氣通過鼓風(fēng)機202的吸入被供給到膜加濕器100，同時從燃料電池堆200排出的廢氣通過膜加濕器100的內(nèi)部。此時，當(dāng)廢氣中包含的水分通過膜加濕器100內(nèi)的中空纖維膜時，干空氣被加濕。將參照圖6更詳細(xì)地說明包括中空纖維膜的常規(guī)膜加濕器及其運行。如圖6中所示，常規(guī)的膜加濕器100包括殼體101。殼體101具有用于引入干空氣的第一入口102和用于排出被加濕干空氣的第一出口103。包括多個密集中空纖維膜106的中空纖維膜束107被收容在殼體101中。此外，殼體101包括用于引入從燃料電池堆排出的濕空氣的第二入口104和在相反的另一側(cè)用于排出濕空氣的第二出口105。在運行中，當(dāng)完全反應(yīng)并從燃料電池堆排出的排出氣體，即濕空氣，從殼體101的第二入口104被供給到中空纖維膜束107的一側(cè)時，濕空氣中包含的水分通過各中空纖維膜106的毛細(xì)管作用被分離，并且分離出的水分在滲透到中空纖維膜106的毛細(xì)管中時被冷凝以移動到中空纖維膜106的內(nèi)部。隨后，被分離出水分的濕空氣直接沿中空纖維膜106的外側(cè)流動并且通過殼體101的第二出口105被排出。同時，外部空氣(干空氣)通過鼓風(fēng)機的作用力經(jīng)第一入口102被供給到殼體101，并且經(jīng)第一入口102供給的外部空氣流過中空纖維膜106的內(nèi)部。此時，由于從濕空氣分離出的水分已經(jīng)流動到中空纖維膜106的內(nèi)部，因此干空氣被水分加濕，并且被加濕的干空氣通過第一出口103被供給到燃料電池堆側(cè)。然而，由于中空纖維膜束107非常緊湊并且其中具有多個密集的中空纖維膜106，因此通過第二入口104引入的濕空氣難以滲透進(jìn)入中空纖維膜束107。此外，濕空氣透過中空纖維膜的擴散速率非常低，因此濕空氣滲透進(jìn)入中空纖維膜的內(nèi)部是非常困難的。特別地，經(jīng)過殼體101內(nèi)的中空纖維膜束107的外側(cè)的濕空氣經(jīng)常不能夠滲透進(jìn)入如圖8和9中的虛線所示的殼體101內(nèi)的中空纖維膜束107的中心部分，而是主要流經(jīng)如圖8和9中的箭頭所示的邊緣部分。因此，濕空氣向中空纖維膜束107的中心部分的擴散速率非常低，從而造成干空氣的加濕效率惡化。此外，由于通過殼體101的第一入口102引入的大量干空氣主要流過中空纖維膜束107的中心部分(圖6和7中由虛線表示的部分)，因此加濕器內(nèi)的中空纖維膜未充分利用并且加濕器的總體加濕效率進(jìn)一步惡化。因此，由于上述問題，位于中空纖維膜束107的中心部分的中空纖維膜106未能接收足夠量的水分，因此惡化了加濕器的總體效率。這樣的問題可通過圖8中的模擬實驗結(jié)果辨明。從圖8中可清楚地看到大部分干空氣僅流過中空纖維膜束107的中心部分。也就是說，通過殼體101的第一入口102引入的干空氣主要流過中空纖維膜束107的中心部分(圖6和7中由虛線表示的部分)，并且通過第二入口104引入的濕空氣流過中空纖維膜束107的邊緣部分。因此，膜加濕器的加濕效率惡化，當(dāng)干空氣的流量增加時，即，從燃料電池堆輸出高功率時，會更受影響。如上所述，供給到膜加濕器的濕空氣在燃料電池中的反應(yīng)后被排出，并且在反應(yīng)中生成的水和蒸氣也與濕空氣一起被供給到膜加濕器。因此，在寒冷天氣，被引入膜加濕器的水結(jié)冰并抑制中空纖維膜適當(dāng)?shù)貓?zhí)行加濕操作。另外，在寒冷天氣，膜加濕器只有在中空纖維膜中凍結(jié)的水分融化后才能使用。此外，由于常規(guī)膜加濕器的中空纖維膜的表面被反復(fù)凍結(jié)和融化，因此濕空氣主要流過的中空纖維膜束107的外側(cè)，即邊緣部分的中空纖維膜被損壞或斷開(參見圖9)。參照圖9，包括密集中空纖維膜106的中空纖維膜束107被安裝在膜加濕器的殼體101內(nèi)。在這種情況下，中空纖維膜束107的兩端通過封裝材料108固定于殼體101內(nèi)部的兩端，以便使中空纖維膜束107固定。因此，由于位于濕空氣主要流過的中空纖維膜束107的外側(cè)端的封裝材料108的損壞或破裂，可發(fā)生在外側(cè)的中空纖維膜的斷開。更進(jìn)一步，如果中空纖維膜的表面被反復(fù)凍結(jié)和融化至損壞的程度，則損壞的中空纖維膜最終會嚴(yán)重影響燃料電池堆的性能，因此必須更換整個膜加濕器。另外，在膜加濕器的制造中，膜加濕器的大部分由聚合物材料形成的昂貴的中空纖維膜制成。為了提高加濕性能，不必要地使用更多的中空纖維膜束，結(jié)果增加了制造成本。另外，由于使用大量的中空纖維膜束，因此膜加濕器的尺寸與性能相比是不相稱的。此外，由于常規(guī)的膜加濕器包括多個中空纖維膜以束的形式收容于其中的單個中空纖維膜模塊，因此中空纖維膜在殼體內(nèi)分布不均勻并且在膜加濕器制造過程中偏向于殼體的一側(cè)(參見圖10)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種用于燃料電池的膜加濕器，其中具有各種不同直徑的筒狀單元膜模塊被收容在膜加濕器的上殼內(nèi)以改善濕空氣和干空氣的分布，由此從單元膜模塊的外側(cè)至中心部分的干空氣整體被均勻地加濕，從而提高了空氣加濕性能。一方面，本專利技術(shù)提供了一種用于燃料電池的膜加濕器，包括：中空上殼，其包括第一濕空氣入口孔或?qū)Ч芎偷谝粷窨諝獬隹诳谆驅(qū)Ч埽灰约澳つK組件，其包括沿干空氣的流動方向縱向收容在上殼內(nèi)的多個單元膜模塊。在一個示例性實施例中，膜模塊組件包括至少兩個具有不同直徑的單元膜模塊。膜模塊組件包括具有較小直徑并布置在上殼的中心部分的單元膜模塊，以及隨著從上殼的中心至外側(cè)的布置，與布置在上殼的一部分的單元膜模塊相比具有逐漸變大的直徑的單元膜模塊。在另一示例性實施例中，單元膜模塊包括：中空下殼，其包括位于兩端的外周部的第二濕空氣入口孔和第二濕空氣出口孔；以及沿干空氣的流動方向縱向收容在中空下殼內(nèi)的中空纖維膜束。因此，本專利技術(shù)的用于燃料電池的膜加濕器包括收容在上殼內(nèi)的具有不同直徑的筒狀單元膜模塊，以便改善濕空氣和干空氣的分布，從而從膜加濕器的外側(cè)至中心部分均勻地加濕干空氣整體，因此提高了車輛的加濕性能。附圖說明現(xiàn)在將參照附圖中示出的某些示例性實施例詳細(xì)說明本專利技術(shù)的上述和其他特征，附圖在下文中僅以例示的方式給出，因此不限制本專利技術(shù)，并且其中：圖1和2為示意性地示出根據(jù)本專利技術(shù)的示例性實施例的用于燃料電池的膜加濕器的透視圖；圖3為示意性地示出圖1的根據(jù)本專利技術(shù)的示例性實施例的用于燃料電池的膜加濕器的截面圖；圖4為示意性地示出根據(jù)本專利技術(shù)的示例性實施例的用于燃料電池的膜加濕器中的濕空氣流的圖；圖5為示意性地示出燃料電池系統(tǒng)的空氣供給系統(tǒng)的圖；圖6為示出常規(guī)的用于燃料電池的膜加濕器的加濕原理的截面圖；圖7為示出常規(guī)的用于燃料電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種用于燃料電池的膜加濕器，包括：中空上殼，其包括多個第一濕空氣入口孔和多個第一濕空氣出口孔；以及膜模塊組件，其包括沿干空氣的流動方向縱向收容在所述中空上殼內(nèi)的多個單元膜模塊。

【技術(shù)特征摘要】
2011.09.14 KR 10-2011-00926861.一種用于燃料電池的膜加濕器，包括：中空上殼，其包括多個第一濕空氣入口孔和多個第一濕空氣出口孔；以及膜模塊組件，其包括沿干空氣的流動方向縱向收容在所述中空上殼內(nèi)的彼此分開的多個單元膜模塊，其中所述多個單元膜模塊的每個包括中空下殼，所述中空下殼圍繞沿干空氣的流動方向縱向收容在所述下殼內(nèi)的中空纖維膜束，且所述多個單元膜模塊被分開，以在所述中空上殼內(nèi)的所述多個單元膜模塊的每個之間形成空間。2.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述膜模塊組件包括至少兩個具有不同直徑的單元膜模塊。3.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述膜模塊組件包括具有較小直徑且布置在所述上殼的中心部分的單元膜模塊，以及隨著從所述上殼的中心至外側(cè)的布置，與布置在所述上殼的中心部分的單元膜模塊相比具有逐漸變大的直徑的單元膜模塊。4.如權(quán)利要求1所述的膜加濕器，其中所述中空下殼包括位于兩端的外周部的第二濕空氣入口孔和第二濕空氣出口孔。5.一種燃料電池的空氣供給系統(tǒng)，包括：配置成向所述空氣供給系統(tǒng)供給干空氣的鼓風(fēng)機；配置成加濕由所述鼓風(fēng)機供...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：金賢裕，權(quán)赫律，
申請(專利權(quán))人：現(xiàn)代自動車株式會社，起亞自動車株式會社，
類型：發(fā)明
國別省市：