用于燃料电池的膜加湿器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于燃料电池的膜加湿器，其从膜加湿器的内部的外侧至中心部分均匀地加湿全部中空纤维膜，以改善湿空气和干空气的分布，从而提高加湿性能。该用于燃料电池的膜加湿器包括：中空上壳，其包括第一湿空气入口孔和第一湿空气出口孔；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在上壳内的多个单元膜模块。

【技术实现步骤摘要】
用于燃料电池的膜加湿器
本专利技术涉及用于燃料电池的膜加湿器。更特别地，涉及一种用于燃料电池的膜加湿器，其从膜的外侧到膜加湿器内部的中心部分均匀地加湿整个中空纤维膜，以改善湿空气和干空气的分布，从而提高加湿性能。
技术介绍
燃料电池堆的运行需要加湿燃料电池堆中的聚合物电解质膜。因此，燃料电池使用膜加湿器，其通过来自废气(即从燃料电池堆排出的湿空气)的水分与从外部供给的干空气(例如，环境供给的冷空气)之间的水分交换而运行。存在数种类型的加湿器，例如气泡型加湿器，注入型加湿器，以及使用吸附剂的加湿器。然而，由于燃料电池车辆的封装表面仅有有限的空间，因此在燃料电池中使用不需要专用电源的小型膜加湿器。特别地，使用中空纤维膜的膜加湿器已被合适地用于燃料电池的膜加湿器。如图5中所示，在向燃料电池系统的燃料电池堆200供给空气(氧气)的空气供给系统中包括膜加湿器100，外部干空气通过鼓风机202的吸入被供给到膜加湿器100，同时从燃料电池堆200排出的废气通过膜加湿器100的内部。此时，当废气中包含的水分通过膜加湿器100内的中空纤维膜时，干空气被加湿。将参照图6更详细地说明包括中空纤维膜的常规膜加湿器及其运行。如图6中所示，常规的膜加湿器100包括壳体101。壳体101具有用于引入干空气的第一入口102和用于排出被加湿干空气的第一出口103。包括多个密集中空纤维膜106的中空纤维膜束107被收容在壳体101中。此外，壳体101包括用于引入从燃料电池堆排出的湿空气的第二入口104和在相反的另一侧用于排出湿空气的第二出口105。在运行中，当完全反应并从燃料电池堆排出的排出气体，即湿空气，从壳体101的第二入口104被供给到中空纤维膜束107的一侧时，湿空气中包含的水分通过各中空纤维膜106的毛细管作用被分离，并且分离出的水分在渗透到中空纤维膜106的毛细管中时被冷凝以移动到中空纤维膜106的内部。随后，被分离出水分的湿空气直接沿中空纤维膜106的外侧流动并且通过壳体101的第二出口105被排出。同时，外部空气(干空气)通过鼓风机的作用力经第一入口102被供给到壳体101，并且经第一入口102供给的外部空气流过中空纤维膜106的内部。此时，由于从湿空气分离出的水分已经流动到中空纤维膜106的内部，因此干空气被水分加湿，并且被加湿的干空气通过第一出口103被供给到燃料电池堆侧。然而，由于中空纤维膜束107非常紧凑并且其中具有多个密集的中空纤维膜106，因此通过第二入口104引入的湿空气难以渗透进入中空纤维膜束107。此外，湿空气透过中空纤维膜的扩散速率非常低，因此湿空气渗透进入中空纤维膜的内部是非常困难的。特别地，经过壳体101内的中空纤维膜束107的外侧的湿空气经常不能够渗透进入如图8和9中的虚线所示的壳体101内的中空纤维膜束107的中心部分，而是主要流经如图8和9中的箭头所示的边缘部分。因此，湿空气向中空纤维膜束107的中心部分的扩散速率非常低，从而造成干空气的加湿效率恶化。此外，由于通过壳体101的第一入口102引入的大量干空气主要流过中空纤维膜束107的中心部分(图6和7中由虚线表示的部分)，因此加湿器内的中空纤维膜未充分利用并且加湿器的总体加湿效率进一步恶化。因此，由于上述问题，位于中空纤维膜束107的中心部分的中空纤维膜106未能接收足够量的水分，因此恶化了加湿器的总体效率。这样的问题可通过图8中的模拟实验结果辨明。从图8中可清楚地看到大部分干空气仅流过中空纤维膜束107的中心部分。也就是说，通过壳体101的第一入口102引入的干空气主要流过中空纤维膜束107的中心部分(图6和7中由虚线表示的部分)，并且通过第二入口104引入的湿空气流过中空纤维膜束107的边缘部分。因此，膜加湿器的加湿效率恶化，当干空气的流量增加时，即，从燃料电池堆输出高功率时，会更受影响。如上所述，供给到膜加湿器的湿空气在燃料电池中的反应后被排出，并且在反应中生成的水和蒸气也与湿空气一起被供给到膜加湿器。因此，在寒冷天气，被引入膜加湿器的水结冰并抑制中空纤维膜适当地执行加湿操作。另外，在寒冷天气，膜加湿器只有在中空纤维膜中冻结的水分融化后才能使用。此外，由于常规膜加湿器的中空纤维膜的表面被反复冻结和融化，因此湿空气主要流过的中空纤维膜束107的外侧，即边缘部分的中空纤维膜被损坏或断开(参见图9)。参照图9，包括密集中空纤维膜106的中空纤维膜束107被安装在膜加湿器的壳体101内。在这种情况下，中空纤维膜束107的两端通过封装材料108固定于壳体101内部的两端，以便使中空纤维膜束107固定。因此，由于位于湿空气主要流过的中空纤维膜束107的外侧端的封装材料108的损坏或破裂，可发生在外侧的中空纤维膜的断开。更进一步，如果中空纤维膜的表面被反复冻结和融化至损坏的程度，则损坏的中空纤维膜最终会严重影响燃料电池堆的性能，因此必须更换整个膜加湿器。另外，在膜加湿器的制造中，膜加湿器的大部分由聚合物材料形成的昂贵的中空纤维膜制成。为了提高加湿性能，不必要地使用更多的中空纤维膜束，结果增加了制造成本。另外，由于使用大量的中空纤维膜束，因此膜加湿器的尺寸与性能相比是不相称的。此外，由于常规的膜加湿器包括多个中空纤维膜以束的形式收容于其中的单个中空纤维膜模块，因此中空纤维膜在壳体内分布不均匀并且在膜加湿器制造过程中偏向于壳体的一侧(参见图10)。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于燃料电池的膜加湿器，其中具有各种不同直径的筒状单元膜模块被收容在膜加湿器的上壳内以改善湿空气和干空气的分布，由此从单元膜模块的外侧至中心部分的干空气整体被均匀地加湿，从而提高了空气加湿性能。一方面，本专利技术提供了一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：中空上壳，其包括第一湿空气入口孔或导管和第一湿空气出口孔或导管；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在上壳内的多个单元膜模块。在一个示例性实施例中，膜模块组件包括至少两个具有不同直径的单元膜模块。膜模块组件包括具有较小直径并布置在上壳的中心部分的单元膜模块，以及随着从上壳的中心至外侧的布置，与布置在上壳的一部分的单元膜模块相比具有逐渐变大的直径的单元膜模块。在另一示例性实施例中，单元膜模块包括：中空下壳，其包括位于两端的外周部的第二湿空气入口孔和第二湿空气出口孔；以及沿干空气的流动方向纵向收容在中空下壳内的中空纤维膜束。因此，本专利技术的用于燃料电池的膜加湿器包括收容在上壳内的具有不同直径的筒状单元膜模块，以便改善湿空气和干空气的分布，从而从膜加湿器的外侧至中心部分均匀地加湿干空气整体，因此提高了车辆的加湿性能。附图说明现在将参照附图中示出的某些示例性实施例详细说明本专利技术的上述和其他特征，附图在下文中仅以例示的方式给出，因此不限制本专利技术，并且其中：图1和2为示意性地示出根据本专利技术的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器的透视图；图3为示意性地示出图1的根据本专利技术的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器的截面图；图4为示意性地示出根据本专利技术的示例性实施例的用于燃料电池的膜加湿器中的湿空气流的图；图5为示意性地示出燃料电池系统的空气供给系统的图；图6为示出常规的用于燃料电池的膜加湿器的加湿原理的截面图；图7为示出常规的用于燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：中空上壳，其包括多个第一湿空气入口孔和多个第一湿空气出口孔；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在所述中空上壳内的多个单元膜模块。

【技术特征摘要】
2011.09.14 KR 10-2011-00926861.一种用于燃料电池的膜加湿器，包括：中空上壳，其包括多个第一湿空气入口孔和多个第一湿空气出口孔；以及膜模块组件，其包括沿干空气的流动方向纵向收容在所述中空上壳内的彼此分开的多个单元膜模块，其中所述多个单元膜模块的每个包括中空下壳，所述中空下壳围绕沿干空气的流动方向纵向收容在所述下壳内的中空纤维膜束，且所述多个单元膜模块被分开，以在所述中空上壳内的所述多个单元膜模块的每个之间形成空间。2.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述膜模块组件包括至少两个具有不同直径的单元膜模块。3.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述膜模块组件包括具有较小直径且布置在所述上壳的中心部分的单元膜模块，以及随着从所述上壳的中心至外侧的布置，与布置在所述上壳的中心部分的单元膜模块相比具有逐渐变大的直径的单元膜模块。4.如权利要求1所述的膜加湿器，其中所述中空下壳包括位于两端的外周部的第二湿空气入口孔和第二湿空气出口孔。5.一种燃料电池的空气供给系统，包括：配置成向所述空气供给系统供给干空气的鼓风机；配置成加湿由所述鼓风机供...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤裕，权赫律，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，起亚自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：