燃料电池膜加湿器的制作方法

本公开涉及一种燃料电池膜加湿器，并且更具体地，涉及一种燃料电池膜加湿器，该燃料电池膜加湿器可以防止由于燃料电池的重复运行和停止而引起的气体泄漏，可以以相对低的制造成本和高生产率来制造，并且可以抑制在操作过程中产生的振动。

背景技术：

1、燃料电池是一种通过结合氢与氧来产生电的发电电池。与通常的化学电池诸如电池或蓄电池不同，只要向其供应氢气和氧气，燃料电池就能够持续产生电，并且因为没有热损失，所以其效率大约是内燃机的两倍。

2、此外，因为通过氢与氧的结合产生的化学能被直接转化为电能，所以污染物排放低。因此，燃料电池不仅是环境友好的，而且还具有优点：减少由于能量消耗增加而对资源枯竭的担忧。

3、根据所使用的电解质的类型，燃料电池可以被广泛地分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)。

4、这些燃料电池中的每一种基本上基于相同的原理来运行，但是在使用的燃料类型、运行温度、催化剂、电解质等方面不同。在这些燃料电池中，已知pemfc不仅对于小型固定式发电设备而且对于运输系统是最有前途的，因为pemfc可以在比其他燃料电池更低的温度下运行，并且由于其高功率密度而可以被小型化。

5、改善pemfc的性能的最重要的因素之一是通过向膜电极组件的聚合物电解质膜或质子交换膜(pem)供应一定量的水分来保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜变干燥时，发电效率迅速降低。

6、对聚合物电解质膜加湿的方法包括：1)通过用水填充压力容器并且使目标气体穿过扩散器来供应水分的起泡器加湿方法，2)在计算燃料电池反应所需要的水分的量之后，通过电磁阀向气体流动管道直接供应水分的直接注入方法，和3)使用聚合物分离膜向气体的流体层供应水分的膜加湿方法。

7、在这些方法中，通过使用选择性地仅传递废气中包含的水蒸气的膜，向待供应至聚合物电解质膜的空气提供水蒸气，从而对聚合物电解质膜进行加湿的膜加湿方法的优点在于，其可以使膜加湿器轻型化和小型化。

8、当形成模块时，在膜加湿方法中使用的选择性渗透膜优选地是具有每单位体积大的渗透面积的中空纤维膜。即，当使用中空纤维膜制造膜加湿器时，具有宽接触表面积的中空纤维膜的高度集成是可能的，即使具有小容量，也能够对燃料电池进行充分加湿，可以使用低成本材料，并且可以通过膜加湿器回收和再利用由燃料电池在高温下排出的废气中包含的水分和热量。

9、如图1中所示，常规的膜加湿类型的加湿器1000包括：加湿模块1100，用由燃料电池堆(未示出)排出的废气中的水分来加湿从外部供应的空气；和封盖1200，分别耦接至所述加湿模块1100的两端。

10、封盖1200中的一个将从外部供应的空气传输至加湿模块1100，并且另一个封盖1200将由加湿模块1100加湿的空气传输至燃料电池堆。

11、加湿模块1100包括具有废气入口1110a和废气出口1110b的中间壳体1110，以及在中间壳体1110内的多个中空纤维膜1120。中空纤维膜1120束的两端灌封在固定层1130中。固定层1130通常通过铸造方法(例如，浸铸或离心铸造)固化液体聚合物诸如液体聚氨酯树脂而形成。

12、从外部供应的空气沿着中空纤维膜1120的腔流动。通过废气入口1110a流入到中间壳体1110中的废气接触中空纤维膜1120的外表面，然后通过废气出口1110b从中间壳体1110中排出。当废气接触中空纤维膜1120的外表面时，废气中包含的水分穿透中空纤维膜1120以加湿沿着中空纤维膜1120的腔流动的空气。

13、封盖1200的内部空间应当仅与中空纤维膜1120的腔流体连通，并且应当与中间壳体1110的内部空间完全阻隔。否则，由于压力差而发生气体泄漏，从而降低燃料电池的发电效率。

14、通常，如图1中所示，与固定层1130一起，在固定层1130与中间壳体1110之间的树脂层1140将封盖1200的内部空间与中间壳体1110的内部空间阻隔。类似于固定层1130，树脂层1140通常通过铸造方法(浸铸或离心铸造)固化液体聚合物诸如液体聚氨酯树脂而形成。

15、然而，(i)随着树脂层1140由于燃料电池的重复运行和停止而交替地发生膨胀和收缩，由于中间壳体1110与树脂层1140之间的热膨胀系数的差异，树脂层1140从中间壳体1110分离，从而在它们之间引起间隙，或者(ii)由于振动和/或冲击而可能引起树脂层1140与中间壳体1110之间的间隙。树脂层1140与中间壳体1110之间的间隙导致气体泄漏，并降低燃料电池的发电效率。

16、为了防止由于树脂层1140与中间壳体1110之间的间隙引起的气体泄漏，韩国专利no.1697998公开了一种方法：将密封剂(液体密封剂)施加至由树脂层1140的侧表面和中间壳体1110的内表面上的台阶形成的凹槽，然后将衬垫构件(固体密封剂)装配在凹槽中，并且固化密封剂。

17、然而，所述方法存在生产率低和制造成本高的问题，在于：(i)由于密封剂应当被精确地施加至凹槽，因此工作性能不好，(ii)为了固化密封剂而花费超过24小时的非常长的时间，以及(iii)需要单独的空间来存储加湿模块1100，直到密封剂硬化。

技术实现思路

1、技术问题

2、本公开的目的是提供一种燃料电池膜加湿器，其可以防止由上述相关技术的限制和缺点引起的问题，不仅可以可靠地防止由于燃料电池的重复运行和停止而引起的气体泄漏，而且可以以相对低的制造成本和高生产率来制造，并且可以抑制在运行过程中产生的振动。

3、技术方案

4、一种根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：

5、加湿模块，配置为用由燃料电池堆排出的废气中的水分来加湿从外部供应的空气；和封盖，分别耦接至所述加湿模块的两端。所述加湿模块包括：中间壳体，具有开口的两端和形成在该中间壳体的内圆周表面上的台阶；至少一个筒体，位于所述中间壳体内并且容纳多个中空纤维膜；固定层，所述中空纤维膜的端部灌封在该固定层中，该固定层由所述中间壳体的内壁支撑；托架，由所述中间壳体的台阶支撑并且与所述固定层接触；和衬垫构件，具有凹槽，所述中间壳体的端部装配在所述凹槽中，所述衬垫构件与所述托架接触。

6、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述托架和所述衬垫构件可以各自具有与所述中间壳体的横截面相对应的单个闭合曲线形状。

7、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述托架具有比所述衬垫构件更高的硬度。

8、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述托架可以具有60邵氏a至100邵氏a的硬度，并且所述衬垫构件可以具有40邵氏a至50邵氏a的硬度。

9、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述衬垫构件可以包括软橡胶，并且所述托架可以包括金属、硬塑料或硬橡胶。

10、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述衬垫构件可以包括硅橡胶或聚氨酯橡胶，并且所述托架可以包括聚丙烯(pp)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)或丙烯酸类树脂。

11、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述衬垫构件可以与所述固定层接触。

12、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述固定层可以包括：第一固定层，所述中空纤维膜的端部灌封在该第一固定层中；和第二固定层，围绕所述第一固定层并且与所述托架接触。

13、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述第一固定层和所述第二固定层可以由相同的材料形成。

14、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述第一固定层和所述第二固定层两者都可以包括聚氨酯(pu)树脂。

15、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述加湿模块可以在所述中间壳体内进一步包括两端开口的内壳体，并且所述中空纤维膜可以位于所述内壳体内。

16、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述内壳体的端部可以灌封在所述第一固定层中。

17、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，可以在所述衬垫构件的内壁上形成突出构件，所述突出构件装配在所述固定层中并且抑制由在加湿模块内部流动的空气在所述筒体中产生的振动。

18、此外，一种根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：

19、加湿模块，配置为用由燃料电池堆排出的废气中的水分来加湿从外部供应的空气；和封盖，分别耦接至所述加湿模块的两端，其中，所述加湿模块包括：中间壳体，具有开口的两端和形成在该中间壳体的内圆周表面上的台阶；至少一个筒体，位于所述中间壳体内并且容纳多个中空纤维膜；固定层，所述中空纤维膜的端部灌封在该固定层中，并且该固定层由所述中间壳体的内壁支撑；托架，由所述中间壳体的所述台阶支撑并且与所述固定层接触；和衬垫构件，具有凹槽，所述中间壳体的端部装配在该凹槽中，所述衬垫构件与所述托架接触。所述中空纤维膜包括第一组中空纤维膜和第二组中空纤维膜。所述加湿模块包括：第一内壳体，所述第一组中空纤维膜设置在该第一内壳体中；和第二内壳体，所述第二组中空纤维膜设置在该第二内壳体中，其中，所述固定层包括：第一固定层，所述第一组中空纤维膜的端部灌封在该第一固定层中；第二固定层，所述第二组中空纤维膜的端部灌封在该第二固定层中；和第三固定层，围绕所述第一固定层和所述第二固定层并且与所述托架接触。

20、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，可以在所述衬垫构件的内壁上形成突出构件，所述突出构件装配在所述固定层中并且抑制由在加湿模块内部流动的空气在所述筒体中产生的振动。

21、在根据本公开的一个实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述第一内壳体的端部可以灌封在所述第一固定层中，并且所述第二内壳体的端部可以灌封在所述第二固定层中。

22、有益效果

23、根据本公开，省去了现有技术中所需要的密封剂施加工艺和密封剂固化工艺，因此，不仅提高了工作性能，而且缩短了制造时间，从而显著提高了生产率。

24、此外，因为不需要单独的空间来存储用于密封剂固化工艺的半成品，所以可以降低加湿器生产成本。

25、此外，本公开不仅可以防止由于燃料电池的重复运行和停止而引起的气体泄漏，而且可以以相对低的制造成本和高生产率来制造。

26、最后，在衬垫构件的内壁(或内表面)上形成的突出构件可以抑制在运行过程中产生的振动，可以防止中间壳体内部的空气流入到封盖中，从而增强密封功能，并且当形成固定层时可以便于固定层的位置的选择。