[發明專利]制造燃料電池用膜組件的方法和裝置及由此制造的膜組件

有效

• 申請號: 201210212535.6
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN103165919A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 金賢裕;權赫律
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社;起亞自動車株式會社
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M2/14
• 代理公司: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術領域

本發明涉及制造燃料電池用膜組件的方法和裝置。更具體地，本發明涉及制造適用于膜增濕器中的膜組件的方法和裝置，該膜增濕器使聚合物燃料電池中的空氣增濕。

背景技術

聚合物燃料電池的運行通常需要水。使供應至燃料電池的空氣增濕的膜增濕器通常用于該目的。

盡管存在各種類型的膜增濕器，例如起泡式（bubbler）增濕器、注射式增濕器、吸收式增濕器等，但因燃料電池車輛中的一些空間限制，在燃料電池車輛中使用具有相對小體積的膜增濕器。除了幾乎不占空間之外，膜增濕器還因為它們不需要特殊動力而特別地有優勢。

如圖1所示，用于燃料電池的膜增濕器通常包括膜組件10、外殼11、和歧管12。

膜集中在膜組件10中，并且，例如多束中空纖維膜可以集中在膜組件10中。

通常通過以下工藝制造膜組件。

如圖2所示，在制造殼體13之后，將灌封帽（potting?cap）14覆蓋在殼體13的一側，并且將期望數目束的中空纖維膜15置于殼體13中。

然后，將聚合物材料16注入到殼體13的兩端中，以將多束中空纖維膜固定在殼體13中。

該工藝稱作灌封工藝。

在灌封工藝中，主要使用氨基甲酸酯材料作為聚合物材料。

灌封工藝利用重力固定該多束膜15，使得經由樹脂孔注射到殼體中的聚合物材料16通過重力透過膜。

在灌封工藝之后，將聚合物材料干燥，并且使用切割裝置切割灌封部分，從而獲得期望的膜組件。

最終，在將外殼11置于膜組件10的兩側時，用于燃料電池的膜增濕器的制造得以完成。

典型的現有技術增濕器是一個大組件，其中收納有多束中空纖維膜。

然而，使用這種增濕器，由于多束中空纖維膜收容在一個大的組件中，在制造組件的過程中，中空纖維膜分布不均勻，而是集中在一側（參見圖3）。

圖4是顯示典型的膜增濕器的構造的示意圖。

如圖4所示，膜增濕器具有外殼11，該外殼11設置有用于引入干燥空氣的第一進口17和用于排出濕化空氣的第一出口18，并且膜組件10布置在外殼11中。

而且，在膜組件10中容納有多個中空纖維膜15。

在使用中空纖維膜的膜增濕器中，濕空氣從第二進口19供應并通過各個中空纖維膜15的外部。然后，濕空氣中的水分通過中空纖維膜15的毛細管作用分離，并且分離的水分通過中空纖維膜15的毛細管并且凝結。然后水分移動到中空纖維膜15的內部。

水分從其中分離的濕空氣移動到中空纖維膜15的外部，然后經由第二出口20排出。

同時，從第一進口17供應的干空氣移動通過中空纖維膜15的內部。

從濕空氣中分離的水分移動到中空纖維膜15的內部以使干空氣增濕，并且濕化的空氣經由第一出口18排出至燃料電池組。

在現有技術膜增濕器的情況中，濕空氣經由第二進口19引入到外殼11中，以向中空纖維膜15供應水分，之后其經由第二出口20排出。

然而，經由第二進口19引入的濕空氣難以透過其中集中有多個中空纖維膜15的膜組件。

而且，使用這種膜增濕器，濕空氣以非常低的速度擴散，其帶來進一步的困難。

因為這些原因，通過膜組件10外部的濕空氣不能滲透布置在外殼11中的膜組件的內部，而是主要沿著邊緣流動。

而且，使用這種膜增濕器，濕空氣以非常低的速度擴散到膜組件10的內部中，其顯著地降低增濕效率。

因而，膜組件的內部不能得到足夠的水分，并且膜增濕器的整體效率降低。

而且，在現有技術膜增濕器的情況中，經由第一進口17引入的大部分干空氣主要經由膜組件10的中心流動，因此膜增濕器的整體效率進一步降低。

這由圖5中的模擬結果得以顯示。

參考圖5，可以清楚地看出，經由第一進口17引入的大部分干燥空氣僅流經膜組件的中心。

也就是說，經由第一進口17引入的干空氣主要流經膜組件的中心（如沿著該圖底部移動的流動所示）。而且，經由第二進口19引入的濕空氣主要沿著膜組件的邊緣流動。結果，膜增濕器的效率顯著降低。

由聚合物材料制成的中空纖維膜占了大部分的制造成本。然而，如上所述，由于現有技術膜增濕器具有較低的增濕效率，為提高增濕性能而使用過量束的中空纖維膜。結果，膜增濕器的價格進一步增加。此外，由于需要許多束的中空纖維膜來充分地增加增濕性能，膜增濕器的大小同樣增加，其在將膜增濕器安裝到燃料電池車輛的有限空間內時引起很多困難。