[发明专利]用于燃料电池的膜加湿器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜加湿器。

背景技术

燃料电池包括：产生电能的燃料电池组；向燃料电池组供应燃料（例如氢）的燃料供应系统；向燃料电池组供应氧气的空气供应系统，氧气包含在空气中，并作为电化学反应所需的氧化剂；以及控制燃料电池组的操作温度的热和水管理系统。

参考图1，燃料电池的空气供应系统包括：将外部空气供应到燃料电池组10的阴极的鼓风机30，和将鼓风机30供应的空气加湿并将加湿后的空气供应到燃料电池组的阴极的膜加湿器20。

在聚合物电解质膜燃料电池的情况下，燃料电池的操作需要水，并且通常需要用于加湿空气的加湿器。为了使空气湿润，可以利用诸如使用起泡器、注入剂和吸收剂的各种方法。然而，由于用于车辆的燃料电池的尺寸受到较大地限制，因此燃料电池车辆使用体积相对较小且不需要动力的膜加湿器。

图2和图3示出传统的膜加湿器。这种膜加湿器包括外壳100、中空纤维膜组件200、以及歧管106和108。外壳100包括入口102，形成于外壳的一个侧端，用于接收来自鼓风机30的外部空气（例如，干燥空气）；以及出口104，形成于外壳的另一侧端，向燃料电池组10排放经加湿的空气。歧管106形成于外壳100的上表面上，靠近出口104，以接收从燃料电池组排放的湿润空气，而歧管108形成于外壳100的下表面，靠近入口102，以便将通过对来自鼓风机的空气加湿而得到的湿润空气排放到外部。

此外，中空纤维膜组件200包括容纳在其中的一束中空纤维膜202，并且其中形成有歧管106和108的外壳100连接于中空纤维膜组件200的两端，围绕中空纤维膜组件200。

下面简单地描述具有上述结构的传统膜加湿器的操作。

如图3所示，当从燃料电池组排出的湿润空气通过外壳100的歧管106被供应到中空纤维组件200的内部时，通过被容纳在外壳100中的各个中空纤维膜202的毛细管作用分离湿润空气中包含的水。当穿过中空纤维膜202的毛细管时，经分离的水被浓缩并移动到中空纤维膜202中。此时，被分离了水的湿润空气移动到中空纤维膜202的外部，并且通过外壳100的歧管108排出作为外部空气。

当穿过中空纤维膜202时，从鼓风机30通过外壳100的入口102供应的外部空气（例如，干燥空气）被移动。此时，由于从湿润空气中分离的水已被移动到中空纤维膜202中，因此干燥空气被水加湿。经加湿的空气通过出口104被供应到燃料电池组10。

接下来，将说明用于生产具有上述结构的膜加湿器的中空纤维膜组件的传统制造方法和操作。

首先，制造壳体，并且将所需数目的中空纤维膜容纳在壳体中。然后，将聚合物材料（polymer material）注入到中空纤维膜的两端中，以将中空纤维膜固定到壳体上。该过程被称为“灌注（potting）”或“灌注工艺”。用于灌注的聚合物材料可以包括聚氨酯类树脂材料，并且灌注工艺可以包括浸渍工艺和离心成型工艺。如图4所示，浸渍工艺利用重力的使用，并且操作如下：首先，将其中容纳有一束中空纤维膜202的壳体204插入到树脂注入装置中；然后当通过树脂注入装置的入口注入聚合物材料时，由于重力作用，在渗透于密集容纳的中空纤维膜之间时，被注入的聚合物材料，在重力的作用下，将中空纤维膜束固定。

图5A-5D是说明这种灌注工艺的图示。灌注工艺包括如图5A所示制备壳体、如图5B所示在其上放置灌注盖300、如图5C所示插入中空纤维膜202、以及如图5D所示注入树脂310。

在灌注工艺之后，对聚合物材料进行干燥，并且利用切割装置部分地切割灌注部分的端部。然后，可以获得具有如图6所示的横截面结构的中空纤维膜组件。

根据传统方法，灌注的材料根据温度变化而反复地收缩和膨胀。由于灌注材料的反复收缩和膨胀，因而预定时间过后，在灌注材料310与壳体204之间会形成缝隙320，如图7A和7B所示。由于存在缝隙320，因此不能保持气密性。图8是示出在灌注材料与壳体之间形成缝隙的状态的相片。

在传统方法中，在加湿器内部的空气流会对聚合物中空纤维膜施加压力。在此情况下，可以在中空纤维膜与灌注材料310的底部相接触的部分对中空纤维膜进行切割。

此外，当通过灌注材料灌注聚合物中空纤维膜时，中空纤维膜的灌注部分不能用作加湿膜。也就是说，当灌注部分被形成为具有较大厚度时，加湿器的加湿性能降低。因此，需要一种膜类加湿器，其在物理应力（例如诱导膨胀/收缩的温度、空气压力等）下不会变形，因此不会形成缝隙，同时即使用于厚膜时仍能维持加湿性能。

发明内容