燃料电池膜加湿器的制作方法-j9九游会真人

1.本发明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.燃料电池是通过氢气与氧气之间的结合来发电的发电电池。燃料电池与例如干电池或蓄电池的常规化学电池不同，具有只要供应氢气和氧气就能够持续产生电的优点，并且由于没有热量损失，燃料电池的效率为内燃机的约两倍。
3.此外，由于通过氢气与氧气之间的结合产生的化学能直接转换成电能，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，这些燃料电池大致分为例如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.这些燃料电池本质上根据相同的原理工作，但在所使用的燃料的类型、工作温度、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前途的，而且对于运输系统也是最最有前途的，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)的性能的最重要的因素之一是通过将一定量以上的水分供应给膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜(或质子交换膜：pem)来保持水分含量。这是因为当聚合物电解质膜干燥时，发电效率快速降低。
7.聚合物电解质膜的加湿方法的示例包括：1)用水填充耐压容器然后使目标气体通过扩散器(diffuser)以供应水分的起泡(bubbler)加湿方式；2)用于计算燃料电池反应所需的水分供应量并通过电磁阀向气体流动管直接供应水分的直接注入方式；以及3)使用聚合物分离膜向流化气体层供应水分的加湿膜方式。
8.在这些方式中，通过使用仅选择性地透过包含在废气中的水蒸气的膜向供应至聚合物电解质膜的气体提供水蒸气来加湿聚合物电解质膜的膜加湿方式的优点在于，可以减小膜加湿器的重量和尺寸。
9.膜加湿方式中使用的选择性渗透膜优选是在在形成模块时每单位体积具有大的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，具有以下优点：接触表面积大的中空纤维膜的高度集成是可能的，因此即使是小容量的中空纤维膜也可以充分加湿燃料电池，可以使用低成本材料，并且可以通过加湿器回收并且可以再利用从燃料电池以高温排出的未反应气体中包含的水分和热量。
10.另一方面，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。为了方便描述，在图中仅示出灌封部p的一部分中的中空纤维膜，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被容纳在中间壳体10的内部。如图所示，中空纤维膜模块11可以形成为盒的形式。在中间壳体10的内部形成供盒形式的中空纤维膜模块11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实质上是中间壳体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插入到模块插入部12中。在这种情况下，中间壳体10包括中央部分凹入的中央凹入部10a，并且中央凹入部10a的内壁与中空纤维膜模块11彼此紧密附接。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。中央凹入部10a和形成模块插入部12的外壳的分隔壁12b实质上相同。
13.另一方面，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的同时与从鼓风机供应并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与中间壳体10结合，并且在盖壳体20中形成第一流体通过其流入/从内部流出的流体入口20a。
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是具有比膜加湿器外部的大气高的压力的高压流体时，在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高于外部大气压，因此，朝向膜加湿器的外部形成压力梯度，并且膜加湿器的一部分(具体地，中间壳体的凹入部)向膜加湿器外部的方向变形，如图3所示。另一方面，由于内部分隔壁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.由于压力梯度导致的中间壳体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中的第二流体不流过中空纤维膜模块11，而通过该间隙流入流体流动空间b。不流过中空纤维膜模块11的第二流体是没有通过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另一个根据相关技术的燃料电池膜加湿器(参见韩国未审查专利公开第2019-0138288号)的图。
17.如图4所示，在另一个相关技术的燃料电池膜加湿器中，在中间壳体10的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和中间壳体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，使得通过流体入口20a流入内部的流体仅流过中空纤维膜盒c。
18.如上述构成的压力缓冲部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的加湿器不同，在中空纤维膜盒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中的流体不流过中空纤维膜模块而流过流体流动空间b，因此防止了加湿效率降低。
19.另一方面，在如图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)远高于膜加湿器外部的大气压(外部压力p2)(p1＞＞p2)时，如图5的(a)和图5的(b)所示，由于压力差，中间壳体10可能受到向外的压力并且向外膨胀(由e1表示)。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，在中空纤维膜盒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.本发明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加湿效率降低的燃料电池膜加湿器。
22.技术方案
23.根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器包括：
24.中间壳体，所述中间壳体中形成有模块插入部，该模块插入部包括形成为与所述中间壳体的内壁间隔开的外分隔壁；盖壳体，所述盖壳体与中间壳体结合；中空纤维膜模块，所述中空纤维膜模块插入模块插入部中并且包括集成有多个中空纤维膜的至少一个中空纤维膜束或者容纳有多个中空纤维膜的至少一个中空纤维膜盒；以及主动压力缓冲部，所述主动压力缓冲部形成在中间壳体与模块插入部之间，以根据燃料电池的输出状态，防止由于中间壳体的内部与外部之间的压力差导致模块插入部膨胀，或者消除压力差。
25.在根据本发明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旁通结构。
26.在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，旁通结构可以包括：一对突出构件，所述一对突出构件形成为固定到外分隔壁，向中间壳体的方向突出，并且与中间壳体的内壁间隔开；滑动空间，所述滑动空间形成在所述一对突出构件之间；以及插入构件，所述插入构件形成在中间壳体的内壁上，向外分隔壁的方向突出，并且插入滑动空间中。
27.在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，插入构件可以包括旁通孔，所述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。
28.在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，当膨胀压力逐渐增大时，插入构件可以与中间壳体一起向外膨胀，并且旁通孔打开。
29.在根据本发明的实施例的燃料电池膜的加湿器中，可以在一对突出构件的在中间壳体侧的端部形成向相对方向突出的第一滑动突起。
30.在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，可以在插入构件的在外分隔壁侧的端部形成向突出构件的方向突出的第二滑动突起。
31.根据本发明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。
32.有益效果
33.根据本发明的实施例，可以防止由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差导致加湿效率降低。此外，即使在燃料电池的高输出情况或异常输出情况下，也可以防止在中空纤维膜盒与外分隔壁之间产生间隙或者可以消除压力差，从而防止加湿效率降低。
附图说明
34.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。
35.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。
36.图5的(a)和图5的(b)是示出图4所示的根据相关技术的另一个燃料电池膜加湿器的问题的图。
37.图6、图7、图8和图9是示出根据本发明的实施例的各种类型的燃料电池膜加湿器的图。
38.图10是示出根据本发明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。
39.图11、图12和图13是根据本发明的实施例的根据旁通结构的膨胀压力的状态变化的放大横截面图，其中，旁通结构是燃料电池膜加湿器的主动压力缓冲部的部件。
40.图14是示出根据本发明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
41.由于可以对可以具有多个实施例的本发明进行各种更改，因此具体的实施例将在本文中详细说明和描述。然而，可以理解的是，这并不意味着将本发明限制于具体的实施例，而包括在本发明的精神和范围内包括的所有的变化、等同物或替代物。
42.本文中使用的术语仅用于描述具体的实施例，而不旨在限制本发明。单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数表述，除非上下文另有明确指示。可以理解的是，术语“包括”或“具有”在本文中表示所述特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、数量、步骤、操作、元件、部件或其组合。下面，将参考附图描述根据本发明实施例的垫圈组件以及包括该垫圈组件的燃料电池膜加湿器。
43.图6、图7、图8和图9是示出根据本发明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，根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器(在下文中，也称为“膜加湿器”)包括中间壳体110和盖壳体120。
44.中间壳体110与盖壳体120结合以形成膜加湿器的外形。中间壳体110和盖壳体120可以由诸如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。中间壳体110和盖壳体120可以具有宽度方向上的多边形横截面形状，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，并且多边形可以具有带圆角的形状。可替代地，宽度方向上的横截面形状可以为圆形形状，如图8和图9所示。该圆形形状可以为椭圆形。图6、图7、图8和图9仅示出膜加湿器的形状的示例，但本发明不限于此。
45.在中间壳体110中，形成有第二流体经由其被供应的第二流体入口111以及第二流体经由其排出的第二流体出口112，并且在中间壳体110的内部设置有在其中容纳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可以表示第二流体经由其排出的第二流体出口，附图标记112可以表示第二流体经由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，附图标记111和112中的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，附图标记112表示第二流体出口的示例，但本发明不限于此。
46.如图7和图9所示，中空纤维膜模块f可以是多个中空纤维膜被集成的中空纤维膜束，或者如图6和图8所示，可以是在其中容纳中空纤维膜或中空纤维膜束的中空纤维膜盒。图6和图8中示出了多个中空纤维膜盒形成中空纤维膜模块f的情况，但本发明不限于此，中空纤维膜模块f可以由一个中空纤维膜盒形成。在以下描述中，将描述中空纤维膜模块f由如图6所示的多个盒c形成，并且膜加湿器具有宽度方向上的多边形横截面形状的示例，但是可以大体上同样地应用于图7至图9中的膜加湿器。此外，示出了盒c的形状也具有圆形或四边形横截面的情况，但盒c的形状不限于此。
47.盖壳体120结合到中间壳体110的两个端部。流体通道121形成在各个盖壳体120中，其中一个流体通道121成为第一流体入口，另一个流体通道121成为第一流体出口。流入一侧的盖壳体120的流体通道121中的第一流体穿过容纳在中空纤维膜盒(c，参见图1)中的中空纤维膜的内管，然后通过另一侧的盖壳体120的流体通道121流出。例如，中空纤维膜是全氟磺酸膜(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。
48.在中空纤维膜盒c的一端形成使通过第二流体入口111流入膜加湿器的第二流体流入中空纤维膜盒的第一网格部(m1，参见图1)，并且在另一个端部可以形成使在中空纤维膜盒的内部已经进行水分交换的第二流体流到中空纤维膜盒的外部的第二网格单元(m2，参见图1)。中空纤维膜盒c的两侧放入分隔壁211和212(参见图10)中从而插入模块插入部210中(参见图10)。此外，可以在中空纤维膜盒的两侧选择性地形成锁定爪(未示出)，当中空纤维膜盒插入模块插入部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。
49.在中空纤维膜盒或中空纤维膜束的两个端部形成粘合中空纤维膜的同时填充中空纤维膜之间的间隙的灌封部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穿过的流路。灌封部的材料是公知的，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与中间壳体110气密地结合的垫圈组件(未示出)。
50.图10是示出根据本发明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，模块插入部210和主动压力缓冲部220形成在中间壳体110的内部。
51.容纳有多个中空纤维膜的中空纤维膜盒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盒c。另一方面，当中空纤维膜模块f包括单个中空纤维膜盒时，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。
52.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构成的空间s形成主动压力缓冲部220。主动压力缓冲部220可以进一步包括形成在外分隔壁212与中间壳体的内壁110a之间的旁通结构221。
53.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使流体流动空间a与流体流动空间b隔离，从而流体仅流过中空纤维膜盒c。
54.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(内部压力p1)远高于膜加湿器外部的大
气压力(外部压力p2)时，作为主动压力缓冲部220的一个部件的旁通结构221也能够防止由于压力差导致外分隔壁212向外膨胀，或者能够消除压力差以防止加湿效率降低。
55.在下文中，将参照图11、图12和图13描述旁通结构221。图11、图12和图13是根据旁通结构221的膨胀压力的状态变化的放大横截面图，所述旁通结构221是主动压力缓冲部220的一个部件。
56.如图11所示，旁通结构211包括一对突出构件221a和插入构件221b。所述一对突出构件221形成为固定到外分隔壁212，向中间壳体110的方向突出，并且与中间壳体110的内壁110a间隔开。在该一对突出构件221a之间形成滑动空间ss。插入构件221b形成在中间壳体110的内壁110a上，并且形成为向外分隔壁212的方向突出，并且插入该一对突出构件221a之间的滑动空间ss中。
57.在一对突出构件221a的在中间壳体110侧的端部形成向相对方向突出的第一滑动突起221aa，并且插入构件221b插入该一对第一滑动突起221aa之间。
58.在插入构件221b的在外分隔壁212侧的端部形成向突出构件221a的方向突出的第二滑动突起221ba。通过第一滑动突起221aa限制第二滑动突起221ba的向外运动。
59.插入构件221b包括至少一个旁通孔221bb。当插入构件221b由于外分隔壁212与中间壳体110之间的膨胀压力而在滑动空间ss中移动时，旁通孔221bb可以打开或关闭。
60.例如，当由于外分隔壁212与中间壳体110之间的膨胀压力不高所以滑动空间ss相对较大时，旁通孔221bb被该一对突出构件221a关闭(参见图11)。当外分隔壁212与中间壳体110之间的膨胀压力根据燃料电池的输出状态而逐渐增加时，插入构件221b与中间壳体110一起向外膨胀，并且旁通孔221bb打开(参见图12和图13)。
61.高输出状态下第二流体的压力相对高于燃料电池的低输出状态下第二流体的压力。此外，异常输出状态下第二流体的压力相对高于燃料电池的正常输出状态下第二流体的压力。
62.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，由于大的压力差导致中间壳体110受到膨胀压力，并且中间壳体110向外膨胀(由e1表示)。在这种情况下，形成在中间壳体110中的插入构件221b与中间壳体110一起向外膨胀(参见图12)。
63.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，插入构件221b继续向外膨胀，并且被该一对突出构件221a关闭的多个旁通孔221bb一个接一个逐渐打开(参见图13)。
64.当如图13所示旁通孔221bb打开时，流体流动空间a中的流体通过旁通孔221bb流入流体流动空间b，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。
65.此后，当高输出状态或异常输出状态消除时，即，当燃料电池返回到低输出状态或正常输出状态时，第二流体的压力变得相对较低，因此膨胀压力逐渐降低并且插入构件221b向外分隔壁212的方向返回。因此，旁通孔221bb再次关闭，使得可以防止流体流动空间a中的流体不流过中空纤维膜模块f而流过流体流动空间b(参见图11)。
66.如上述构成的主动压力缓冲部220即使在燃料电池的输出状态为产生异常压力的异常输出状态时，也能够使外分隔壁212的两侧的压力保持大体上相同。由于主动压力缓冲
部220，所以在外分隔壁212的两侧不形成压力梯度，外分隔壁212不变形。
67.相反，参照图14，中空纤维膜盒c设置在内分隔壁211和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流入盒c中，在中空纤维膜的外部流动的同时进行水分交换，然后通过第二网格部m2流到盒的外部。在这种情况下，由于流过中空纤维膜盒c的流体的压力p1是相同的，所以内分隔壁211的两侧上的压力均衡，从而不发生变形。
68.另一方面，在外分隔壁212中，在一侧，高压力p1下的第二流体通过中空纤维膜盒c流动，在另一侧，没有流过中空纤维膜盒c的高压力p1’下的第二流体流动。由于流过外分隔壁212的两侧的第二流体具有大体上相同的压力(p1＝p1’)，因此外分隔壁212的两侧上的压力均衡，从而不发生变形。
69.另一方面，在燃料电池的高输出状态或异常输出状态下，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之间的压力差大时，仅是旁通结构221的插入构件221b与中间壳体110一起向外膨胀，并且突出构件221a保持固定到外分隔壁212。因此，外分隔壁212与中空纤维膜盒c之间的气密性被保持，并且第二流体不在外分隔壁212与中空纤维膜盒c之间泄露。
70.另一方面，流入主动压力缓冲部220中的第二流体在旁通结构221中转向，然后流入中空纤维膜盒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，在中空纤维膜盒c与外分隔壁212之间也不产生间隙，使得可以防止在流体流动空间a中的流体不流过中空纤维膜模块f而流过流体流动空间b，因此防止加湿效率降低。
71.此外，当高输出状态或异常输出状态继续或进一步恶化时，第二流体的压力进一步增加，使得形成在插入构件221b中的旁通孔221bb随着其开口逐渐增加而打开(参见图14)。当旁通孔221bb打开时，流体流动空间a中的流体通过旁通孔221bb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。
72.尽管以上已经描述了本发明的实施例，但本领域技术人员可以在不脱离权利要求中描述的本发明的精神的情况下通过部件的添加、更改、删除、添加等来对本发明进行各种修改或改变，并且这将被认为也包括在本发明的范围内。
73.[附图标记的说明]
[0074]
110：中间壳体120：盖壳体
[0075]
210：模块插入部211：内分隔壁
[0076]
212：外分隔壁220：主动压力缓冲部
[0077]
221：旁通孔221a：突出构件
[0078]
221b：插入构件221aa、221ba：滑动突起
[0079]
221bb：旁通孔ss：滑动空间a、b：流体流动空间
[0080]
c：中空纤维膜盒
[0081]
f：中空纤维膜模块