[发明专利]用于燃料电池的膜加湿器

说明书

本发明的用于燃料电池的膜加湿器包括：中间壳体，在其中容纳多个中空纤维膜；盖壳体，与中间壳体耦接；灌封单元，形成在多个中空纤维膜的端部；组装构件，设置在盖壳体与中间壳体的端部之间，以在它们之间提供气密耦接；以及突出部，从盖壳体的内部朝向灌封单元的边缘延伸，以在盖壳体与灌封单元之间提供气密耦接。

技术领域

本公开涉及一种用于燃料电池的膜加湿器，更具体地，涉及一种能够通过机械组装结构在高温/高压/高湿环境下执行气密密封功能的用于燃料电池的膜加湿器。

背景技术

燃料电池是将氢和氧结合来产生电的发电电池。这种燃料电池的优点在于，与诸如干电池或蓄电池的普通化学电池不同，只要供应氢和氧就可以连续地产生电，并且没有热损失，由此燃料电池的效率大约是内燃机效率的两倍高。

此外，燃料电池将由氢和氧的结合产生的化学能直接转换成电能，从而排放的污染物量少。因此，该燃料电池的优点在于燃料电池是环保的，并且可以减少关于由于能耗的增加引起的资源枯竭的担忧。

根据所使用的电解质的种类，这种燃料电池可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)或碱性燃料电池(AFC)。

这些燃料电池基本上是按照相同的原理工作的，但在所使用的燃料的类型、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。在这些燃料电池中，已知聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)对运输系统以及小型固定式发电设备最有利，因为聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料电池更低的温度下工作并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，因此可以使聚合物电解质膜燃料电池小型化。

提高聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的性能的最重要因素之一是向膜电极组件(MEA)的聚合物电解质膜或质子交换膜(PEM)供应预定量或更多的水分来保持水分含量。其原因在于，在聚合物电解质膜或质子交换膜变干的情况下，发电效率急剧降低。

以下方法被用作对聚合物电解质膜或质子交换膜进行加湿的方法：1)鼓泡加湿(bubbler humidification)方法，该方法是向耐压容器填充水，并使目标气体通过扩散器以供应水分；2)直接注入法，该方法是计算燃料电池反应所需的要供应的水分量，并且通过电磁阀直接向气流管道供应水分；3)加湿膜法，该方法是使用聚合物分离膜向气体流化床供应水分。

在这些方法中，加湿膜法的优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸，所述加湿膜法使用被配置成选择性地仅透过废气中包含的水蒸气的膜将水蒸气提供给被供应给聚合物电解质膜或质子交换膜的气体，以加湿聚合物电解质膜或质子交换膜。

在形成模块的情况下，作为在加湿膜法中使用的选择透过膜，优选使用每单位体积的透过面积大的中空纤维膜。即，在使用中空纤维膜制造膜加湿器的情况下，可以实现接触表面积大的中空纤维膜的高度集成化，因此，即使在小容量的情况下，也可以充分地加湿燃料电池，可以使用廉价的材料，并且可以收集在高温下从燃料电池排出的非反应气体中包含的水分和热量，并通过加湿器再利用收集的水分和热量。

同时，在用于燃料电池的普通膜加湿器中，中空纤维膜被容纳在外壳单元中，并且中空纤维膜通过灌封单元被粘接到外壳单元的内壁。基于电池堆的期望输出值来确定容纳在外壳单元中的中空纤维膜的数量，并且中空纤维膜通过灌封单元被粘接并固定到外壳单元。来自鼓风机的高温空气和来自电池堆的高温高湿空气被引入到用于燃料电池的膜加湿器中。灌封单元的热膨胀系数和热收缩系数高，从而在外壳单元与灌封单元之间形成间隙，并且空气经由该间隙泄漏。为了防止这种情况，在外壳单元与灌封单元之间的间隙中涂布密封剂。

在空气泄漏的情况下，从鼓风机引入的空气从用于燃料电池的膜加湿器泄漏，由此，被引入到电池堆中的空气量减少。由于该原因，鼓风机需要供应比电池堆实际需要的空气量更多的空气量，由此，鼓风机的电力消耗增大，这导致系统电力损失。因此，最大程度地防止泄漏就整体功率效率而言是有利的。

发明内容