燃料电池膜加湿器的制作方法-j9九游会真人

1.本公开涉及一种燃料电池膜加湿器，更具体地涉及一种能够防止由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差导致的加湿效率降低的燃料电池膜加湿器。


背景技术：

2.燃料电池是通过氢与氧之间的结合来产生电能的发电电池单体。燃料电池具有只要供应氢和氧就能够持续产生电力的优点，并且与例如干电池或蓄电池的常规化学电池不同，由于没有热量损失，燃料电池的效率为内燃机的大约两倍。
3.此外，由于通过氢与氧之间的结合产生的化学能被直接转换成电能，所以减少了污染物的排出。因此，燃料电池具有环保以及能够减少由于能量消耗增加导致的能源枯竭的担忧的优点。
4.根据所使用的电解质的类型，例如，这些燃料电池大致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)和碱性燃料电池(afc)。
5.这些燃料电池大体上根据相同的原理工作，但是这些燃料电池在所使用的燃料的类型、操作温度、催化剂、电解质等方面具有差异。在这些电池中，已知聚合物电解质膜燃料电池不仅对于小型固定发电设备是最有利的，而且对于运输系统是最有利的，因为聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料电池低的温度下工作，并且由于输出功率密度高，聚合物电解质膜燃料电池可以被小型化。
6.提高聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)性能的最重要的因素中的一个因素是通过将一定量以上的水分供应到膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜(或质子交换膜：pem)以保持水分含量。这是因为当聚合物电解质膜干燥时，发电效率快速降低。
7.加湿聚合物电解质膜的方法的示例包括：1)起泡器加湿法，用水填充抗压容器，然后使目标气体流过扩散器以供应水分，2)直接注入法，计算燃料电池反应所需的水分供应量，并通过电磁阀将水分直接供应到气流管道，以及3)加湿膜法，使用聚合物隔膜将水分供应到流化气体层。
8.在这些方法中，通过使用选择性地仅渗透在废气中包括的水蒸气的膜将水蒸气提供到被供应到聚合物电解质膜的气体来加湿聚合物电解质膜的加湿膜法的优点在于可以减少加湿器的重量和尺寸。
9.当形成模块时，加湿膜法中所使用的选择性渗透膜优选地是每单位体积上具有较大渗透面积的中空纤维膜。也就是说，当使用中空纤维膜制造膜加湿器时，优点在于可以高度集成具有较大接触表面积的中空纤维膜，使得即使在小体积的情况下，也可以充分地加湿燃料电池、可以使用低成本的材料，以及可以回收并且可以通过加湿器对从燃料电池中以高温排出的未反应气体中包含的水分和热量进行再利用。
10.同时，当膜加湿器工作时，存在由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差导致的加湿效率降低的问题。将参照图1、图2和图3对此进行描述。
11.图1、图2和图3是根据相关技术的燃料电池膜加湿器的横截面图。为了便于描述，在图中仅示出灌封部p的一部分中的中空纤维膜，并且省略了对其他部分的中空纤维膜的说明。在相关技术的膜加湿器中，容纳有多个中空纤维膜的中空纤维膜模块11容纳在中间壳体10的内部。如图所示，中空纤维膜模块11可以以滤筒(cartridge)的形式形成。在中间壳体10内部形成中空纤维膜模块11以滤筒的形式插入的模块插入部12。模块插入部12由形成在中间壳体10内部的多个分隔壁12a和12b形成。这里，形成模块插入部12的外壳的分隔壁12b大体上为中间壳体10的内壁的一部分。
12.如图2所示，通过将中空纤维膜模块11的两侧放入分隔壁12a和12b中来将中空纤维膜模块11插入模块插入部12中。在这种情况下，中间壳体10包括中心部分凹入的中心凹入部10a，并且中心凹入部10a的内壁与中空纤维膜模块11彼此紧密粘合。因此，由中间壳体10的非凹入部10b与中空纤维膜模块11形成的两个流体流动空间a和b彼此隔离。中心凹入部10a和形成模块插入部12的外壳的分隔壁12b大体上相同。
13.同时，从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体通过形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部，并且流过中空纤维膜模块11，与从鼓风机供应并且在中空纤维膜内部流动的第一流体进行水分交换。盖壳体20结合到中间壳体10，并且在盖壳体20中形成流体入口20a，第一流体通过流体入口20a流入/从内部流出。
14.然而，在高压工作条件的情况下，即，当从形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部的第二流体为具有比膜加湿器外部的大气高的压力的高压流体时，膜加湿器的内部与外部之间出现压力差，并且在膜加湿器内部流动的第二流体的压力比外部大气压高，因此朝向膜加湿器的外侧形成压力梯度，并且膜加湿器的一部分(具体地，中间壳体的凹入部)在膜加湿器外侧方向上变形，如图3所示。另一方面，由于内分隔壁12a在分隔壁的两侧上具有相同的压力，所以不形成压力梯度并且不发生变形。
15.由于压力梯度导致中间壳体10的形状改变，在中空纤维膜模块11与中间壳体10的内壁之间产生间隙，并且流体流动空间a中的第二流体通过该间隙流入流体流动空间b中，而不流过中空纤维膜模块11。不流过中空纤维膜模块11的第二流体为没有被中空纤维膜加湿的流体，这导致加湿效率降低的问题。
16.图4是示出用于解决图1所示的相关技术的燃料电池膜加湿器的问题的根据相关技术的另一个燃料电池膜加湿器(参见韩国未经审查专利公开第2019-0138288号)的图。
17.如图4所示，在相关技术的另一个燃料电池膜加湿器中，在中间壳体10内部形成模块插入部12和压力缓冲部22。压力缓冲部22包括由彼此间隔开的外分隔壁12b与中间壳体10形成的空间以及在外分隔壁12b与中间壳体10之间形成的连接部21。连接部21隔离流体流动空间a与流体流动空间b，使得通过流体通道20a流入内部的流体仅流过中空纤维膜滤筒c。
18.如上述配置的压力缓冲部22使外分隔壁12b的两侧上的压力大体上相同。由于有压力缓冲部22使得在外分隔壁12b的两侧上不形成压力梯度，所以外分隔壁12b不变形。因此，与图1中示出的燃料电池膜加湿器不同，在中空纤维膜滤筒c与外分隔壁12b之间不产生间隙，使得可以防止流体流动空间a中的流体流过流体流动空间b而不流过中空纤维膜模块，从而防止加湿效率降低。
19.同时，在图4所示的根据相关技术的燃料电池膜加湿器中，由于燃料电池的高输出
情况或异常输出状态导致从形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部的第二流体的压力(内部压力p1)远高于(p1＞＞p2)膜加湿器外部的大气压力(外部压力p2)时，中间壳体10可以受到向外的压力并且由于压力差而向外膨胀(由e1表示)，如图5a和图5b所示。在这种情况下，由于外分隔壁12b连接到连接部21，所以外分隔壁12b也可以向外膨胀(由e2表示)。当外分隔壁12b向外膨胀时，在中空纤维膜滤筒c与外分隔壁12b之间可能产生间隙。因此，产生不流过中空纤维膜模块11的第二流体，这导致加湿效率降低的问题。


技术实现要素：

20.技术问题
21.本公开的目的是提供一种能够防止由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差导致的加湿效率降低的燃料电池膜加湿器。
22.技术方案
23.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器包括中间壳体，该中间壳体中形成有模块插入部，模块插入部包括形成为与中间壳体的内壁间隔开的外分隔壁；盖壳体，该盖壳体结合到中间壳体；中空纤维膜模块，该中空纤维膜模块插入模块插入部中；以及主动压力缓冲部，该主动压力缓冲部形成在中间壳体与模块插入部之间，以防止由于中间壳体的内部与外部之间的压力差导致的模块插入部膨胀，或者根据燃料电池的输出状态消除中间壳体的内部与外部之间的压力差。
24.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器中，主动压力缓冲部可以包括形成在外分隔壁与中间壳体的内壁之间的倾斜结构。
25.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器中，倾斜结构可以包括第一倾斜构件，该第一倾斜构件形成为固定到外分隔壁，向着中间壳体的方向突出，并且与中间壳体的内壁间隔开；第二倾斜构件，该第二倾斜构件形成在中间壳体的内壁上，形成为向着外分隔壁的方向突出，并且与外分隔壁间隔开；以及旁通孔，该旁通孔形成在第一倾斜构件和第二倾斜构件中的至少一个中，旁通孔能够根据外分隔壁与中间壳体之间的膨胀压力的大小而打开或关闭。
26.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器中，第一倾斜构件和第二倾斜构件可以包括两个以上旁通孔。
27.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器中，当膨胀压力逐渐增加时，第二倾斜构件可以沿着第一倾斜构件的表面滑动，并且两个以上旁通孔可以依次打开。
28.在根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器中，中空纤维膜模块可以包括集成有多个中空纤维膜的至少一个中空纤维膜束或其中容纳有多个中空纤维膜的至少一个中空纤维膜滤筒。
29.根据本公开的各种方面的实施例的其他具体事项包括在下面的详细描述中。
30.有益效果
31.根据本公开的实施例，可以防止由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差导致的加湿效率降低。此外，即使在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下，也可以防止在中空纤维膜滤筒与外分隔壁之间产生间隙或者消除压力差，以防止加湿效率降低。
附图说明
32.图1、图2和图3是示出根据相关技术的燃料电池膜加湿器的问题的图。
33.图4是示出用于解决图1所示的相关技术的燃料电池膜加湿器的问题的根据相关技术的另一个燃料电池膜加湿器的图。
34.图5a和图5b是示出根据图4所示的相关技术的另一个燃料电池膜加湿器的问题的图。
35.图6、图7、图8和图9是示出根据本公开的实施例的各种类型的燃料电池膜加湿器的图。
36.图10是示出根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器的中间壳体的一部分的横截面图。
37.图11、图12和图13是根据本公开的实施例的根据作为燃料电池膜加湿器的主动压力缓冲部的部件的倾斜结构的膨胀压力而改变状态的放大横截面图。
38.图14是示出根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器的工作状态的横截面图。
具体实施方式
39.由于可以对可以具有若干实施例的本公开进行各种改变，所以本文将详细地说明并描述具体实施例。然而，将理解的是，这不旨在将本公开限制于具体实施例，并且包括了包含在本公开的精神和范围内的所有改变、等同物或替代物。
40.本文所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并且不旨在限制本公开。除非上下文另有清楚地表示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。将理解的是，本文中的“包括”或“具有”表示本文描述的特征、数量、步骤、操作、部件或其组合的存在，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、部件、部分或其组的存在或添加。在下文中，将参照附图描述根据本公开的实施例的垫圈组件和包括该垫圈组件的燃料电池膜加湿器。
41.图6、图7、图8和图9是示出根据本公开的实施例的各种类型的燃料电池膜加湿器的图如图6、图7、图8和图9所示，根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器(下文中也称为“膜加湿器”)包括中间壳体110和盖壳体120。
42.中间壳体110与盖壳体120组合以形成膜加湿器的外形。中间壳体110和盖壳体120可以由例如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。中间壳体110和盖壳体120可以在宽度方向上具有多边形横截面形状，如图6和图7所示。多边形可以为四边形、正方形、梯形、平行四边形、五边形、六边形等，并且该多边形可以具有倒圆角的形状。可替代地，在宽度方向上的横截面形状可以为圆形，如图8和图9所示。圆形可以为椭圆形。图6、图7、图8和图9仅示出膜加湿器的形状的示例，但本公开不限于此。
43.在中间壳体110中，形成第二流体通过其供应的第二流体入口111以及第二流体通过其排出的第二流体出口112，在中间壳体110内部设置容纳有多个中空纤维膜的中空纤维膜模块f。根据设计，附图标记111可以表示第二流体通过其排出的第二流体出口，并且附图标记112可以表示第二流体通过其供应的第二流体入口。也就是说，附图标记111和112中的一个可以表示第二流体入口，而另一个可以表示第二流体出口。在以下描述中，将描述附图标记111表示第二流体入口并且附图标记112表示第二流体出口的示例，但本公开不限于此。
44.如图7和图9所示，中空纤维膜模块f可以为集成有多个中空纤维膜的中空纤维膜束，或者可以为容纳有中空纤维膜或中空纤维膜束的中空纤维膜滤筒，如图6和图8所示。图6和图8中示出多个中空纤维膜滤筒形成中空纤维膜模块f的情况，但本公开不限于此，并且中空纤维膜模块f可以由一个中空纤维膜滤筒形成。在以下描述中，将描述中空纤维膜模块f由如图6所示的多个滤筒c形成，并且膜加湿器在宽度方向上具有多边形横截面形状的示例，但是大体上相同的内容可以应用于图7至图9中的膜加湿器。此外，示出滤筒c的形状也具有圆形或四边形横截面的情况，但是滤筒c的形状不限于此。
45.盖壳体120结合到中间壳体110的两个端部。在各个盖壳体120中形成流体通道121，流体通道121中的一个变为第一流体入口并且另一个变为第一流体出口。流入位于一侧上的盖壳体120的流体通道121的第一流体流过容纳在中空纤维膜滤筒(c；参见图1)中的中空纤维膜的内导管，然后通过位于另一侧上的盖壳体120的流体通道121流出。例如，中空纤维膜为nafion、聚醚酰亚胺、聚苯砜、聚酰亚胺(pi)、聚砜(ps)或聚醚砜(pes)材料的中空纤维膜。
46.使得通过第二流体入口111流入膜加湿器中的第二流体流入中空纤维膜滤筒中的第一网格部(m1，参见图1)形成在中空纤维膜滤筒c的一个端部，并且使在中空纤维膜滤筒内部进行水分交换的第二流体流到中空纤维膜滤筒的外部的第二网格单元(m2，参见图1)可以形成在另一个端部。中空纤维膜滤筒c的两侧通过放入分隔壁211和212(参见图10)中而插入模块插入部210。此外，可以在中空纤维膜滤筒的两侧上选择性地形成锁定爪(未示出)，当中空纤维膜滤筒插入模块插入部210中时，锁定爪可以放入形成模块插入部210的分隔壁211和212中。
47.在中空纤维膜滤筒或中空纤维膜束的两个端部形成填充中空纤维膜之间的间隙同时粘合中空纤维膜的灌封部p。因此，中空纤维膜模块的两个端部被灌封部p封闭，并且在其中形成第二流体流过的流路。灌封部的材料是公知的，并且本文省略其详细描述。可以在灌封部p的周围形成填充灌封部p与中间壳体110之间的间隙的树脂层e，或者可以在灌封部p的周围形成通过机械组装将灌封部p气密地结合到中间壳体110的垫圈组件(未示出)。
48.图10是示出根据本公开的实施例的燃料电池膜加湿器的中间壳体的一部分的横截面图。如图10所示，在中间壳体110的内部形成模块插入部210和主动压力缓冲部220。
49.容纳有多个中空纤维膜的中空纤维膜滤筒c插入模块插入部210中。模块插入部210由多个分隔壁211和212构成，使得可以插入多个中空纤维膜滤筒c。同时，中空纤维膜模块f包括单个中空纤维膜滤筒时，可以省略内分隔壁211。在这种情况下，模块插入部210可以仅由外分隔壁212形成。
50.中间壳体的内壁110a形成为与模块插入部210的外分隔壁212间隔开。由形成为彼此间隔开的外分隔壁212和中间壳体的内壁110a产生的空间s(参见图14)形成主动压力缓冲部220。主动压力缓冲部220还可以包括形成外分隔壁212与在中间壳体的内壁110a之间的倾斜结构221。
51.主动压力缓冲部220可以形成在外分隔壁212的圆周上。主动压力缓冲部220隔离流体流动空间a与流体流动空间b，使得流体仅流过中空纤维膜滤筒c。
52.此外，即使由于燃料电池的高输出状态或异常输出状态导致在通过形成在中间壳体110中的流体入口111流入内部的第二流体的压力远高于膜加湿器外部的大气压(外部压
力p2)时，作为主动压力缓冲部220的一个部件的倾斜结构221也可以防止外分隔壁212由于压力差而向外膨胀，或者消除压力差以防止加湿效率降低。
53.在下文中，将参照图11、图12和图13描述倾斜结构221。图11、图12和图13是根据作为主动压力缓冲部220的一个部件的倾斜结构221的膨胀压力而改变状态的放大横截面图。
54.如图11所示，倾斜结构221包括第一倾斜构件221a和第二倾斜构件221b。第一倾斜构件221a形成为固定到外分隔壁212，向着中间壳体110的方向突出，并且与中间壳体110的内壁110a间隔开。第二倾斜构件221b形成在中间壳体110的内壁110a上，形成为向着外分隔壁212的方向突出，并且与外分隔壁212间隔开。
55.此外，可以在第一倾斜构件221a和第二倾斜构件221b中的每一个中形成至少一个旁通孔221aa或221ba。旁通孔221aa或221ba可以根据外分隔壁212与中间壳体110之间的膨胀压力的大小而部分打开或关闭。
56.当在燃料电池的低输出状态或正常输出状态下膨胀压力(第二流体的压力)正常时，旁通孔221aa或221ba被倾斜构件221a或221b(参见图11)关闭。也就是说，第一倾斜构件221a的旁通孔221aa被第二倾斜构件221b关闭，并且第二倾斜构件221b的旁通孔221ba被第一倾斜构件221a关闭。
57.当在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下第二流体的压力相对较高时，中间壳体110由于较大的压力差而受到膨胀压力并且向外膨胀(由e1表示)。在这种情况下，形成在中间壳体110中的第二倾斜构件221b与中间壳体110一起向外膨胀，并且沿着第一倾斜构件221a的表面滑动，并且旁通孔221aa或221ba中的一个被打开(参见图12)。
58.当高输出状态或异常输出状态持续或进一步恶化时，第二流体的压力进一步增加，第二倾斜构件221b沿着第一倾斜构件221a的表面越来越多地滑动，并且多个旁通孔221aa或221ba被打开(参见图13)。
59.如图12和图13所示，当至少一个旁通孔221aa或221ba被打开时，流体流动空间a中的流体通过旁通孔221aa或旁通孔221ba流入流体流动空间b中，然后通过第二网格部m2和第二流体出口112排出，从而消除在流体流动空间a中流动的流体的压力。
60.此后，当高输出状态或异常输出状态消除时，即，当燃料电池回到低输出状态或异常输出状态时，第二流体的压力变为较低，因此膨胀压力逐渐降低并且第二倾斜构件221b向着外分隔壁212返回。因此，旁通孔221aa或221ba再次关闭，使得可以防止流体流动空间a中的流体流过流体流动空间b而不流过中空纤维膜模块f(参见图14)。
61.同时，当第二流体的压力进一步减小时，可以释放第一倾斜构件221a与第二倾斜构件221b之间的接触状态，但是可以获得第二流体工作时的压力范围，并且可以通过根据压力范围的实验适当地设定第一倾斜构件221a与第二倾斜构件221b的倾斜角和/或各个构件的长度，使得可以保持第一倾斜构件221a与第二倾斜构件221b之间的接触状态。
62.由于具有配置为上述的主动压力缓冲部220，即使在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下，也可以防止在中空纤维膜滤筒与外分隔壁之间产生间隙，或者消除压力差，从而防止加湿效率降低。
63.对此，参照图14，中空纤维膜滤筒c设置在内分隔壁211与212之间，并且从燃料电池堆(未示出)排出并流入第二流体入口111的第二流体通过第一网格部m1流入滤筒c中，进行水分交换同时流到中空纤维膜外部，然后，通过第二网格部m2流出到滤筒的外部。在这种
情况下，由于流过中空纤维膜滤筒c的流体的压力p1是相同的，所以内分隔壁211的两侧上的压力是平衡的，使得不发生变形。
64.同时，在外分隔壁212中，处于高压力p1的第二流体在一侧流过中空纤维膜滤筒c，并且不流过中空纤维膜滤筒c的处于高压力p1’的第二流体在另一侧流动。由于流过外分隔壁212的两侧的第二流体大体上具有相同的压力(p1＝p1’)，外分隔壁212的两侧上的压力是平衡的，使得不发生变形。
65.同时，当流过主动压力缓冲部220的第二流体的压力p1与中间壳体110外部的大气压力p2之间的压力差在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下较大时，倾斜结构221的第二倾斜构件221b仅与中间壳体110一起向外膨胀，并且第一倾斜构件221a保持固定到外分隔壁212。因此，保持了外分隔壁212与中空纤维膜滤筒c之间的气密性，并且第二流体不会在外分隔壁212与中空纤维膜滤筒c之间泄露。
66.同时，流入主动压力缓冲部220中的第二流体在倾斜结构221中转向，然后，流入中空纤维膜滤筒c中。因此，与相关技术不同，即使在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下，在中空纤维膜滤筒c与外分隔壁212之间也不产生间隙，使得可以防止流体流动空间a中的流体流过流体流动空间b而不是流过中空纤维膜模块f，因此，防止了加湿效率的降低。
67.此外，当高输出状态或异常输出状态持续或进一步恶化时，第二流体的压力进一步增加，第二倾斜构件221b沿着第一倾斜构件221a的表面滑动，并且被倾斜构件221a或221b关闭的旁通孔221aa或221ba变为打开。当旁通孔221aa或221ab打开时，流体流动空间a中的流体通过旁通孔221aa或221ab流入流体流动空间b中，然后，通过第二网格部m2和第二流体出口112排出，从而消除流体流动空间a中流动的流体的压力。
68.尽管以上已经描述了本公开的实施例，但本领域技术人员可以在不脱离权利要求中描述的本公开的精神的情况下通过部件的附加、更改、删除、添加等来对本公开进行各种修改或改变，并且这将被认为也包括在本公开的范围内。
69.[附图标记说明]
[0070]
110：中间壳体120：盖壳体
[0071]
210：模块插入部211：内分隔壁
[0072]
212：外分隔壁220：主动压力缓冲部
[0073]
221：倾斜结构221a：第一倾斜构件
[0074]
221b：第二倾斜构件221aa、221ba：旁通孔a、b：流体流动空间
[0075]
c：中空纤维膜滤筒
[0076]
f：中空纤维膜模块