燃料电池加湿器筒体和燃料电池加湿器的制作方法

1.本公开涉及一种被配置为向燃料电池供应湿气的燃料电池加湿器。


背景技术：

2.燃料电池具有如下优点：与诸如干电池或蓄电池的一般化学电池不同，只要供给氢气和氧气就可以连续发电，以及没有热损失，由此，燃料电池的效率是内燃机效率的大约两倍。
3.另外，燃料电池将氢和氧结合产生的化学能直接转化为电能，由此排放的污染物的量很少。因此，燃料电池的优点在于，燃料电池是环境友好的以及可以减少对由于能量消耗的增加导致的资源枯竭的担忧。
4.基于使用的电解质的种类，这种燃料电池可被分类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)或碱性燃料电池(afc)。
5.这些燃料电池的工作原理基本相同，但在所使用的燃料种类、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。在这些燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)被认为是最有利于运输系统以及小型固定发电设备的，因为聚合物电解质膜燃料电池与其他燃料电池相比在较低温度下工作，并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，由此，可以使聚合物电解质膜燃料电池小型化。
6.提高聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)的性能的最重要因素之一是向膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜或质子交换膜(pem)提供预定量或更多的水分以保持水分含量。其原因为，如果聚合物电解质膜或质子交换膜干燥，则发电效率急剧降低。
7.以下方法被用作聚合物电解质膜或质子交换膜的加湿方法：1)用水填充耐压容器并使目标气体通过扩散器以供应水分的起泡器加湿方法，2)计算燃料电池反应所需要供应的水分量并通过电磁阀向气流管道直接供应水分的直接注入方法，以及3)使用聚合物分离膜向气体流化床供应水分的膜加湿方法。
8.在这些方法中，膜加湿方法使用被配置为仅选择性地传输废气中包含的水蒸气的膜将水蒸气提供给供给至聚合物电解质膜或质子交换膜的空气以加湿聚合物电解质膜或质子交换膜，其优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。
9.当形成模块时，每单位体积具有大传输面积的中空纤维膜适于膜加湿方法中使用的选择渗透膜。即，在使用中空纤维膜制造加湿器的情况下，可以实现具有大的接触面积的中空纤维膜的高度集成，由此即使是小容量也可以充分地加湿燃料电池，可以使用廉价材料，并且可以收集高温下从燃料电池排出的废气中的水分和热量，并通过加湿器再利用收集的水分和热量。
10.图1是现有的用于燃料电池的加湿器的示意分解透视图。
11.如图1所示，传统的膜加湿型加湿器100包括：加湿模块110，其中在从外部供应的空气与从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间进行水分交换；以及盖120，分别联结到加湿
模块110的相对两端。
12.一个盖120将从外部供应的空气输送到加湿模块110，另一个盖将由加湿模块110加湿的空气输送到燃料电池堆。
13.加湿模块110包括具有废气入口111a和废气出口111b的中壳111和位于中壳111中的多个中空纤维膜112。一束中空纤维膜112的相对端被灌封在固定层113中。通常，通过使用浇铸方法使液体聚合物(例如液体聚氨酯树脂)硬化来形成每个固定层113。中空纤维膜112的相对端被灌封的固定层113和设置在固定层113与中壳111之间的树脂层114将盖120的内部空间与中壳111的内部空间隔离开。与固定层113类似，每个树脂层114通常通过使用浇铸方法使液体聚合物(例如液体聚氨酯树脂)硬化而形成。
14.从外部供应的空气沿着中空纤维膜112的中空部分流动。通过废气入口111a引入中壳111的废气与中空纤维膜112的外表面接触，并通过废气出口111b从中壳111排出。当废气与中空纤维膜112的外表面接触时，废气中包含的水分通过中空纤维膜112传输以加湿沿中空纤维膜112的中空部分流动的空气。
15.在该加湿过程中，引入中壳111的废气在相当大的压力下流动，由此中壳111向外膨胀。由此，在中壳111与中空纤维膜112之间形成了废气可以通过的大空间。因此，在被引入中壳111之后立即从中壳111排出且不与中空纤维膜112的外表面接触的废气的流速增加，从而降低了加湿过程的效率。另外，由于加湿过程的效率降低，要供应到燃料电池堆的空气没有被充分加湿，由此燃料电池的发电效率降低。


技术实现要素：

16.技术问题
17.鉴于上述问题作出了本公开，并且本公开的目的是提供一种能够降低避开而不与中空纤维膜的外表面接触的废气的流速的用于燃料电池的加湿器的筒体以及用于燃料电池的加湿器。
18.技术方案
19.为了实现上述目的，本公开可以包括以下结构。
20.根据本公开的用于燃料电池的加湿器可以包括：加湿模块，被配置为使用从燃料电池堆排出的湿气对从外部供应的干燥气体进行加湿；第一盖，联结到加湿模块的一端；以及第二盖，联结到加湿模块的另一端。加湿模块可以包括具有被配置为允许湿气引入其中的入口和被配置为允许湿气从中排出的出口的中壳以及设置在中壳中的筒体，筒体具有与其联结的多个中空纤维膜。中壳可以包括在入口与出口之间朝向筒体突出的阻挡构件，阻挡构件被配置成与筒体接触以阻挡湿气通过。筒体可以包括被配置为容纳中空纤维膜的内壳和被配置为将内壳连接到阻挡构件使得阻挡构件和内壳根据位于中壳与内壳之间的湿气的压力而在联锁状态下移动的联锁构件。
21.根据本公开的用于燃料电池的加湿器可以包括：加湿模块，被配置为使用从燃料电池堆排出的湿气对从外部供应的干燥气体进行加湿；第一盖，联结到加湿模块的一端；以及第二盖，联结到加湿模块的另一端。加湿模块可以包括：筒体，所述筒体与多个中空纤维膜联结；以及中壳，所述中壳与多个所述筒体联结。中壳可以包括分别被配置为容纳筒体的多个容纳孔以及朝向容纳孔突出的多个阻挡构件，阻挡构件分别被配置为与筒体接触以阻
挡湿气通过。每个筒体可以包括被配置成容纳中空纤维膜的内壳以及被配置成将内壳连接到阻挡构件使得阻挡构件和内壳根据位于容纳孔中的湿气的压力而在联锁状态下移动的联锁构件。
22.根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体可以包括：内壳，被配置为插入到用于燃料电池的加湿器的中壳中；多个中空纤维膜，容纳在内壳中；第一灌封部，联结到内壳，第一灌封部被配置为固定每个中空纤维膜的一侧；第二灌封部，联结到内壳，第二灌封部被配置为固定每个中空纤维膜的另一侧；以及联锁构件，被配置成将内壳连接到中壳，使得中壳和内壳根据位于中壳中的湿气的压力而在联锁状态下移动。
23.有益效果
24.在本公开中，可以降低避开而不与中空纤维膜的外表面接触的湿气的流速，由此可以提高加湿过程的效率。此外，可以向燃料电池堆供给充分加湿的干燥气体，由此可以有助于提高燃料电池的发电效率。
附图说明
25.图1是传统的用于燃料电池的加湿器的示意性分解透视图。
26.图2是根据本公开的用于燃料电池的加湿器的示意性分解透视图。
27.图3是示出根据本公开的用于燃料电池的加湿器的沿图2的线i-i截取的示意性分解剖视图。
28.图4是示出根据本公开的用于燃料电池的加湿器的沿图2的线i-i截取的示意性联接剖视图。
29.图5至图8是示出图4的a部分的示意性放大剖视图。
30.图9是示出联锁构件的沿图2的线i-i截取的示意性放大剖视图。
31.图10是根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体的示意性透视图。
32.图11和图12是当从图10的箭头b指示的方向观察时的根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体的概念图。
33.图13是示出其中在根据本公开的用于燃料电池的加湿器中两个筒体联结到中壳的实施例的示意性分解透视图。
34.图14是示出根据本公开的用于燃料电池的加湿器的沿图13的线ii-ii截取的局部剖视图。
35.图15是示出其中在根据本公开的用于燃料电池的加湿器中三个筒体联结到中壳的实施例的示意性分解透视图。
具体实施方式
36.在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的用于燃料电池的加湿器的实施例。由于根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体可以被包括在根据本公开的用于燃料电池的加湿器中，所以在描述根据本公开的用于燃料电池的加湿器时将一起描述根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体。
37.参照图2至图4，根据本公开的用于燃料电池的加湿器1使用从燃料电池堆(未示出)排出的湿气对从外部供应的干燥气体进行加湿。干燥气体可以是燃料气体或空气。根据
本公开的用于燃料电池的加湿器1包括被配置为对干燥气体加湿的加湿模块2、联结到加湿模块2的一端的第一盖3以及联结到加湿模块2的另一端的第二盖4。
38.参照图2至图4，加湿模块2使用从燃料电池堆排出的湿气对从外部供应的干燥气体进行加湿。第一盖3可以联结到加湿模块2的一端。第二盖4可以联结到加湿模块2的另一端。第一盖3可以将从外部供应的干燥气体传输到加湿模块2。第二盖4可以将加湿模块2加湿的干燥气体传输到燃料电池堆。第二盖4可以将从外部供应的干燥气体传输到加湿模块2，并且第一盖3可以将由加湿模块2加湿的干燥气体传输到燃料电池堆。
39.加湿模块2包括筒体21和中壳22。
40.筒体21包括多个中空纤维膜211。中空纤维膜211可以被实施为筒体21以便模块化。因此，中空纤维膜211可以通过将筒体21联结到中壳22的过程安装在中壳22中。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以提高中空纤维膜211的安装、分离和更换的容易性。筒体21可以被实施为根据本公开的用于燃料电池的加湿器的筒体。
41.筒体21可以包括被配置成容纳中空纤维膜211的内壳210。中空纤维膜211可以设置在内壳210中以便模块化。每个中空纤维膜211可以包括由聚砜树脂、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、聚酯酰亚胺树脂或其中两种以上的混合物制成的聚合物膜。
42.筒体21可以包括第一灌封部212。第一灌封部212固定中空纤维膜211。第一灌封部212可以固定每个中空纤维膜211的一侧。在这种情况下，第一灌封部212可以形成为不阻塞中空纤维膜211的中空部。可以通过使用浇铸工艺使液体树脂(例如液体聚氨酯树脂)硬化来形成第一灌封部212。第一灌封部212可以将内壳210和每个中空纤维膜211的一侧彼此固定。
43.筒体21可以包括第二灌封部213。第二灌封部213固定每个中空纤维膜211的另一侧。在这种情况下，第二灌封部213可以形成为不阻塞中空纤维膜211的中空部。因此，干燥气体可以被供应到中空纤维膜211的中空部，可以被加湿，并且可以被供应到燃料电池堆，而不会被第二灌封部213和第一灌封部212干扰。可以通过使用浇铸工艺使液体树脂(例如液体聚氨酯树脂)硬化来形成第二灌封部213。第二灌封部213可以将内壳210和每个中空纤维膜211的另一侧彼此固定。
44.筒体21联结到中壳22。筒体21可以设置在中壳22中。中壳22可以包括被配置为容纳筒体21的容纳孔220。容纳孔220可以形成为沿第一轴方向(x轴方向)通过中壳22。中壳22可以包括入口221和出口222。含有水分的湿气可以通过入口221经由中壳22的内部被引入到内壳210中，然后可以与中空纤维膜211的外表面接触。在该过程中，湿气中含有的水分可以传输通过中空纤维膜211，由此沿中空纤维膜211的中空部流动的干燥气体可以被加湿。加湿的干燥气体可以从中空纤维膜211排出，然后可以供应到燃料电池堆。在加湿干燥气体之后，湿气可以从内壳210排出，可以沿着中壳22的内部流动，并且可以通过出口222从中壳22排出。入口221可以连接到燃料电池堆。在这种情况下，湿气可以是从燃料电池堆排出的废气。
45.同时，内壳210可以设置有：引入孔210a，被配置为允许湿气通过其被引入；以及排出孔210b，被配置为允许湿气(在对沿中空纤维膜211的中空部流动的干燥气体进行加湿之后)通过其排出。在这种情况下，湿气可以通过入口221被引入中壳22的内表面与筒体21的
外表面之间，可以通过引入孔210a被供应到内壳210中，可以与中空纤维膜211的外表面接触，可以加湿沿中空纤维膜211的中空部流动的干燥气体，可以通过排出孔210b在中壳22的内表面与筒体21的外表面之间被排出，并且可以通过出口222从中壳22排出。多个引入孔210a可以形成在内壳210中。引入孔210a可以被设置为在第一轴方向(x轴方向)上彼此间隔开。
46.加湿模块2可以包括封装构件23。
47.封装构件23在筒体21与中壳22之间气密密封。封装构件23可以通过机械组装气密地联结到加湿模块2的至少一端。因此，封装构件23允许第一盖3仅与中空纤维膜112流体连通。因此，封装构件23可以防止要供应到燃料电池堆的干燥气体与供应到中壳22的湿气之间的直接混合。封装构件23可以插入筒体21与中壳22之间。在这种情况下，筒体21可以插入形成在封装构件23中的通孔23a中。封装构件23可以与中壳22的内壁、筒体21的外壁和第一灌封部212中的每一个接触。通过这种接触，封装构件23可以气密地联结到加湿模块2的一端。在这种情况下，封装构件23可以与中壳22的内壁的一部分、筒体21的外壁的一部分以及第一灌封部212的一部分中的每一者接触。
48.根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以包括多个封装构件23。封装构件23和23’可以分别气密地联结到加湿模块2的相对端。在这种情况下，封装构件23和23’可以设置在筒体21的相对侧。封装构件23’可以与中壳22的内壁、筒体21的外壁和第二灌封部213中的每一者接触，由此封装构件23’可以气密地联结到加湿模块2的另一端。在这种情况下，封装构件23’可以与中壳22的内壁的一部分、筒体21的外壁的一部分和第二灌封部213的一部分中的每一者接触。通过孔23a’可以形成在封装构件23’中。封装构件23和23’可以被实现为除了它们的位置彼此不同之外具有相同的结构。
49.尽管未示出，但根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以被实施为使得树脂层而不是封装构件23和23’形成在筒体21的相对侧。可以通过使用浇铸方法使液体聚合物(例如液体聚氨酯树脂)硬化来形成树脂层。
50.参照图2至图4，第一盖3联结到加湿模块2的一端。通过封装构件23或树脂层，第一盖3和筒体21之间的空间可以与筒体21和中壳22之间的空间在气密密封的状态下隔离。
51.参照图2至图4，第二盖4联结到加湿模块2的另一端。通过封装构件23’或树脂层，第二盖4和筒体21之间的空间与筒体21和中壳22之间的空间在气密密封的状态下隔离。
52.参照图2至图8，根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以如下实施，以降低避开而不与中空纤维膜211的外表面接触的湿气的流速。
53.中壳22可以包括阻挡构件223。
54.阻挡构件223阻挡湿气通过。阻挡构件223可以朝向容纳孔220突出以与设置在容纳孔220中的筒体21接触。阻挡构件223可以在入口221与出口222之间朝向筒体21突出以与筒体21接触。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以降低在通过入口221被供应到中壳22之后立即绕到出口222的湿气的流速。阻挡构件223可以与筒体21的内壳210接触。在这种情况下，阻挡构件223可以在内壳210中形成的引入孔210a与排放孔210b之间与内壳210接触。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以降低绕过阻挡构件223与内壳210之间的空间的湿气的流速。阻挡构件223和中壳22可以一体形成。
55.这里，湿气在以相当大的压力流动的同时执行加湿过程。因此，中壳22和内壳210
可以根据湿气的压力向外膨胀。在这种情况下，由于中壳22和内壳210由于它们之间的材料的差异而以不同的膨胀率膨胀，所以阻挡构件223会与内壳210间隔开，如图6所示。由此，可以提高避开而不与中空纤维膜211的外表面接触的湿气的流速。
56.为了防止阻挡构件223和内壳210彼此间隔开，如上所述，筒体21可以包括联锁构件214。
57.联锁构件214将内壳210连接到阻挡构件223。由于联锁构件214，阻挡构件223和内壳210可以根据湿气的压力以联锁状态移动。例如，如图8所示，当中壳22和内壳210随着湿气的压力增加而向外膨胀时，联锁构件214可以将中壳22和内壳210彼此连接，使得中壳22和内壳210向外移动相同的距离。在这种情况下，当中壳22比内壳210膨胀更多时，内壳210可以通过联锁构件214被中壳22拉动，由此内壳210可以进一步向外膨胀。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，即使中壳22和内壳210根据湿气的压力向外膨胀，阻挡构件223也可以保持与内壳210接触。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以降低避开而不与中空纤维膜211的外表面接触的湿气的流速，从而可以提高加湿过程的效率。此外，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以将充分加湿的干燥气体供应到燃料电池堆，从而可以有助于提高燃料电池的发电效率。
58.参照图9至图12，联锁构件214可以包括联接构件214a和锁定(catching)构件214b。
59.联接构件214a联结到内壳210和锁定构件214b中的每一个。联接构件214a可以从内壳210的外表面突出。因此，联接构件214a和阻挡构件223可以设置为彼此部分或全部重叠。当筒体21插入容纳孔220时，联接构件214a可以设置为从内壳210的外表面朝向容纳孔220突出。联接构件214a和内壳210可以一体形成。
60.锁定构件214b插入形成在阻挡构件223中的锁定槽223a(如图9所示)中。当锁定构件214b插入锁定槽223a中时，联锁构件214和阻挡构件223可以通过卡扣联锁从而一起移动。锁定构件214b可以从联接构件214a突出。锁定构件214b可以设置成与内壳210间隔开。因此，当锁定构件214b插入锁定槽223a中时，阻挡构件223可以插入锁定构件214b与内壳210之间。因此，可以增加联锁构件214与阻挡构件223之间卡接的连接力。锁定构件214b和联接构件214a可以一体形成。
61.锁定构件214b可以在插入方向(id箭头方向)上突出。插入方向(id箭头方向)是筒体21移动以插入中壳22中的方向。在这种情况下，筒体21可以在分离方向(sd箭头方向)上移动以与中壳22分开。当筒体21在插入方向(id箭头方向)上移动然后设置在中壳22中时，锁定构件214b可以设置在阻挡构件223的分离方向(sd箭头方向)一侧以插入锁定槽223a中。
62.在这种情况下，联接构件214a也可以设置在阻挡构件223的分离方向(sd箭头方向)一侧。因此，在根据本公开的用于燃料电池的加湿器1中，可以通过使用联锁构件214和阻挡构件223降低避开而不与中空纤维膜211的外表面接触的湿气的流速，并由联锁构件214和阻挡构件223确保筒体21和中壳22的组装容易性。
63.如图11所示，联接构件214a可以形成为沿着内壳210的外围延伸的环形。在这种情况下，锁定构件214b可以沿着联接构件214a形成为环形。因此，锁定构件214b和联接构件214a可以设置成围绕内壳210的外表面。在这种情况下，阻挡构件223可以形成为与联接构
件214a对应的环形。锁定槽223a可以形成为与锁定构件214b对应的环形。在联接构件214a形成为沿着内壳210的外围延伸的环形的实施例中，如上所述，可以增加联锁构件214和阻挡构件223之间的接触面积用以卡接。因此，在联接构件214a形成为沿着内壳210的外围延伸的环形的实施例中，由于内壳210和中壳22以联锁状态移动，所以可以提高整体性。
64.如图10所示，联接构件214a可以部分地形成在内壳210的外围处。在这种情况下，锁定构件214b也可以部分地形成在内壳210的外围处。在联接构件214a部分地形成在内壳210的外围处的实施例中，如上所述，可以降低实现内壳210和中壳22在联锁状态下移动所需的制造成本和加工成本。
65.如图12所示，联锁构件214可以包括多个联接构件214a。联接构件214a可以沿着内壳210的外围设置以彼此间隔开。锁定构件214b可以联结到每个联接构件214a。在联锁构件214包括多个联接构件214a和多个锁定构件214b的实施例中，如上所述，由于内壳210和中壳22以联锁状态移动，所以可以提高整体性，并且，可以降低实现内壳210和中壳22在联锁状态下移动所需的制造成本和加工成本。同时，图12示出了联锁构件214包括四个联接构件214a、214a1、214a2和214a3以及四个锁定构件214b、214b1、214b2和214b3。然而，本公开不限于此。联锁构件214可以包括两个、三个或五个或更多个联接构件214a以及两个、三个或五个或更多个锁定构件214b。同时，图12示出了联锁构件214包括沿不同方向突出的联接构件214a。然而，本公开不限于此。联锁构件214可以被实施为包括设置成沿相同方向突出的同时彼此间隔开的联接构件214a。
66.参照图13和图14，根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以使得多个筒体21和21’联结到中壳22。在这种情况下，中壳22可以包括分别被配置为容纳筒体21和21’的多个容纳孔220和220’以及分别朝向容纳孔220和220’突出以与筒体21和21’接触从而阻挡湿气通过的多个阻挡构件223和223’。筒体21和21’可以包括被配置成将内壳210和210’连接到阻挡构件223和223’使得内壳210和210’以及阻挡构件223和223’以联锁状态移动的多个联锁构件214和214’。联锁构件214和214’中的每一个可以包括联接构件214a(如图9所示)和锁定构件214b(如图9所示)。在这种情况下，锁定槽223a(如图9所示)可以形成在阻挡构件223和223’中的每一个中。同时，中壳22可以包括设置在容纳孔220和220’之间的分隔构件224(如图14所示)。阻挡构件223和223’也可以形成在分隔构件224处。
67.图13和图14示出了两个筒体21和21’联结到中壳22。然而，本公开不限于此。如图15所示，根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以实施为使得三个筒体21、21’和21”联结到中壳22。尽管未示出，但根据本公开的用于燃料电池的加湿器1可以被实施为使得四个或更多个筒体21联结到中壳22。在这种情况下，容纳孔220、阻挡构件223、分隔构件224和联锁构件214的数量可以与联结到中壳22的筒体21的数量成比例地增加。
68.上述的本公开不限于以上实施例和附图，并且对于本公开所属领域的普通技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的技术思想的情况下，可以进行各种替换、修改和变更。