自动流量控制筒体和包括其的燃料电池膜加湿器的制作方法

1.本发明涉及一种筒体和包括该筒体的燃料电池膜加湿器，更具体地，涉及一种能够自动控制从燃料电池堆排出并流入到筒体内的废气的流量的自动流量控制筒体，以及一种包括该自动流量控制筒体的燃料电池膜加湿器。


背景技术：

2.燃料电池是通过氢气和氧气之间的结合产生电力的发电电池。与常规化学电池如干电池或蓄电池不同，燃料电池具有的优势在于，只要供应氢气和氧气，就可以连续地产生电力，并且由于没有热损失而具有约为内燃机的两倍高的效率。
3.另外，由于通过氢气和氧气之间的结合产生的化学能被直接转化为电能，污染物的排放减少。因此，燃料电池具有环境友好的并且可以减少因能源消耗增加而导致资源枯竭的担忧的优势。
4.根据所使用的电解质的类型，这些燃料电池可以大致划分为，例如，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)。
5.这些燃料电池基本上根据相同的原理工作，但是在所使用的燃料的类型、工作温度、催化剂和电解质等方面有所不同。其中，由于聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)在比其它燃料电池更低的温度下运行，并且由于高输出密度而可以小型化，因此，已知为不仅在小型固定发电设备中，而且在运输系统中最有前景的燃料电池。
6.改善聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)的性能的最重要的因素之一是通过向膜电极组件(mea)的聚合物电解质膜(或质子交换膜：pem)供应一定量或更多的水分以保持水分含量。这是因为，当聚合物电解质膜是干燥的时，发电效率迅速降低。
7.用于加湿聚合物电解质膜的方法的实例包括：1)鼓泡加湿法，用水填充耐压力容器，然后使目标气体经过扩散器来供应水分；2)直接注射法，计算燃料电池反应所需要的水分供应量，并通过电磁阀向气体流管直接供应水分；和3)膜加湿法，使用聚合物分离膜向流化气体层供应水分。
8.在这些方法中，膜加湿法使用选择性地仅使包含在废气中的水蒸气透过的膜，通过将水蒸气供应至待供应至聚合物电解质膜的空气中，以加湿聚合物电解质膜，其优势在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。
9.用于膜加湿法的选择性渗透膜优选地为在形成模块时具有大的每单位体积的渗透面积的中空纤维膜。即，当使用中空纤维膜制造加湿器时，存在的优势是，具有大接触表面积的中空纤维膜可以高度集成，因此，即使在小容量下燃料电池也可以充分地加湿，可以使用低成本的材料，并且可以回收从燃料电池在高温下排出的废气中包含的水分和热量，并且可以通过加湿器重新利用回收的水分和热量。
10.图1是示出根据相关技术的燃料电池膜加湿器的分解透视图，图2是沿图1的线a-a
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截取的剖视图，图3是沿图1的线b-b
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截取的剖视图。
11.如图1至图3所示，相关技术的燃料电池膜加湿器10包括：加湿模块11，在该加湿模块中，发生从外部供应的空气与从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间的水分交换；和封盖12，该封盖与加湿模块11的两端接合。
12.封盖12中的一个将从外部供应的空气输送至加湿模块11，另一个将通过加湿模块11加湿的空气输送至燃料电池堆。
13.加湿模块11包括：中间壳体11a，该中间壳体具有废气入口11b和废气出口11c；和设置在中间壳体11a中的至少一个筒体20。在附图中示出了一个筒体。筒体20包括内壳体21，并且在内壳体21中形成有多个中空纤维膜22和用于固定中空纤维膜22的束的两端的灌封部23。灌封部23通常通过浇注法使液态聚合物如液体聚氨酯树脂固化而形成。
14.在筒体20和中间壳体11a之间形成有树脂层11e，树脂层11e将筒体20固定至中间壳体11a并且阻挡封盖12的内部空间和中间壳体111的内部空间。
15.中间壳体11a的内部空间通过隔板11d分隔为第一空间s1和第二空间s2。内壳体21包括：以网格形式设置的用于与第一空间s1流体连通的第一网孔部24a；和以网格形式设置的用于与第二空间s2流体连通的第二网孔部24b。
16.通过废气入口11b流入中间壳体11a的第一空间s1中的废气通过第一网孔部24a流入内壳体21，并且与中空纤维膜22的外表面接触。随后，被移除水分的废气通过第二网孔部24b离开第二空间s2，然后通过废气出口11c从中间壳体11a排出。这种包括内壳体21的筒体20具有的优势是，可以将筒体20容易地组装至中间壳体11a并且可以容易替换。
17.在现有技术的这种筒体20中，由于无论燃料电池堆的输出量如何，总是有恒定流量的废气通过第一网孔部24a流入内壳体21中，因此，存在在一些情况下会发生过度加湿的担忧。


技术实现要素：

18.技术问题
19.本发明的一个目的是提供一种能够自动地控制从燃料电池堆排出并且流入筒体内的废气的流量的自动流量控制筒体，以及包括该自动流量控制筒体的燃料电池膜加湿器。
20.技术方案
21.根据本发明的一个实施方案的自动流量控制筒体包括：
22.内壳体，该内壳体包括：第一网孔部，从燃料电池堆排出的废气通过所述第一网孔部流入内部；和第二网孔部，通过所述第一网孔部流入内部的废气在水分交换后通过所述第二网孔部排出至外部；和流量控制部，该流量控制部形成为可在所述内壳体的表面上移动，并且配置为根据废气的流量，控制通过所述第一网孔部流入内部的废气的流量。
23.在根据本发明的实施方案的自动流量控制筒体中，所述流量控制部可以包括：阻挡构件，该阻挡构件形成在所述内壳体的一个表面上以阻挡构成所述第一网孔部的至少一个网孔窗口，使得废气不流入内部；和控制构件，该控制构件形成在所述阻挡构件的一个表面上，并且配置为根据废气的流量，在被压缩或膨胀的同时移动所述阻挡构件。
24.在根据本发明的实施方案的自动流量控制筒体中，所述控制构件可以包括：挤压构件，该挤压构件形成为相对于所述阻挡构件的一侧以预定角度倾斜的形式；和弹性构件，
该弹性构件形成为固定至所述挤压构件，并且能够根据废气的流量被压缩或膨胀。
25.此外，根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器包括：
26.中间壳体；固定至所述中间壳体的封盖；和设置在所述中间壳体中并且配置为容纳多个中空纤维膜的至少一个筒体，其中，所述筒体包括：内壳体，该内壳体包括：第一网孔部，从燃料电池堆排出的废气通过所述第一网孔部流入内部；和第二网孔部，通过所述第一网孔部流入内部的废气在水分交换后通过所述第二网孔部排出至外部；和流量控制部，该流量控制部形成为可在所述内壳体的表面上移动，并且配置为根据废气的流量，控制通过所述第一网孔部流入内部的废气的流量。
27.在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述流量控制部可以包括：阻挡构件，该阻挡构件形成在所述内壳体的一个表面上以阻挡构成所述第一网孔部的至少一个网孔窗口，使得废气不流入内部；和控制构件，该控制构件形成在所述阻挡构件的一个表面上，并且配置为根据废气的流量，在被压缩或膨胀的同时移动所述阻挡构件。
28.在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述控制构件可以包括：挤压构件，该挤压构件形成为相对于所述阻挡构件的一侧以预定角度倾斜的形式；和弹性构件，该弹性构件形成为固定至所述挤压构件，并且能够根据废气的流量被压缩或膨胀。
29.根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器可以包括隔板，该隔板配置为分隔所述内壳体的内部空间，其中，所述弹性构件的一端可以固定至所述隔板，并且另一端固定至所述挤压构件。
30.根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器可以包括树脂层，该树脂层形成在所述中间壳体和所述筒体之间，其中，所述弹性构件的一端可以固定至所述树脂层，并且另一端固定至所述挤压构件。
31.根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器可以包括衬垫组件，该衬垫组件形成在所述中间壳体和所述筒体之间，其中，所述弹性构件的一端可以固定至所述衬垫组件，并且另一端固定至所述挤压构件。
32.根据本发明的各个方面的实施实例的其它具体事项包括在下面详细描述中。
33.有益效果
34.根据本发明，可以自动控制从电池堆排出并且流入筒体内部的废气的流量。
附图说明
35.图1是示出根据相关技术的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
36.图2是沿图1的线a-a
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截取的剖视图。
37.图3是沿图1的线b-b
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截取的剖视图。
38.图4是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的分解透视图。
39.图5是沿图4的线a-a
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截取的剖视图。
40.图6和图7是沿图4的线b-b
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观察的剖视图。
41.图8是示出流量控制部的示意图。
42.图9是示出流量控制部的操作过程的平面图。
具体实施方式
43.由于可以对本发明进行各种改变，本发明可以具有多个实施方案，因此在说明书中将详细说明和描述具体的实施方案。然而，应当理解的是，这并不意在将本发明限制于具体实施方案，而是包括在本发明的构思和范围内包括的所有改变、等同物或者替换。
44.本文中使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并且不意在限制本发明。除非上下文另有明确指示，否则单数表达“一”、“一个”和“该”包括复数表达。将理解的是，本文中的术语“包括”或“具有”指定存在本文中描述的特征、数目、步骤、操作、组成、部分或它们的组合，但是不排除存在或加入一个或多个其它特征、数目、步骤、操作、组成、部件或它们的组合。在下文中，将参照附图描述根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器。
45.图4是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器的分解透视图，图5是沿图4的线a-a
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截取的剖视图，图6和图7是沿图4的线b-b
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截取的剖视图。
46.参照图4至图7，根据本发明的一个实施方案的燃料电池膜加湿器100包括加湿模块110和封盖120。
47.加湿模块110在从外部供应的空气和从燃料电池堆(未示出)排出的废气之间进行水分交换。封盖120接合至加湿模块110的两端。封盖120中的一个将从外部供应的空气供应至加湿模块110，另一个封盖将通过加湿模块110加湿的空气供应至燃料电池堆。
48.加湿模块110包括：中间壳体111，该中间壳体具有废气入口112和废气出口113；和设置在中间壳体111中的至少一个筒体200。在这种情况下，将能够自动控制从电池堆排出并且流入筒体的废气的流量的流量控制部300安装在筒体200内。流量控制部300将在下面描述。
49.中间壳体111和封盖120可以独立地由硬塑料或金属形成，并且可以在宽度方向上具有圆形或多边形的横截面。圆形包括椭圆形，多边形包括带圆角的多边形。所述硬塑料的实例可以包括聚碳酸酯、聚酰胺(pa)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)和聚丙烯(pp)。中间壳体111的内部空间可以通过隔板114分隔为第一空间s1和第二空间s2。
50.筒体200可以包括多个中空纤维膜220和将中空纤维膜112a彼此固定的灌封部230。中空纤维膜220的末端可以固定至灌封部112b。
51.此外，筒体200还可以包括内壳体210。内壳体210在两端具有开口，并且中空纤维膜220容纳在其中。中空纤维膜220的端部被灌封在其中的灌封部230封闭内壳体210的开口。
52.内壳体210包括：以网格形式设置的用于与第一空间s1流体连通的第一网孔部241；和以网格形式设置的用于与第二空间s2流体连通的第二网孔部242。第一网孔部241和第二网孔部242构成网孔部240。
53.通过废气入口112流入中间壳体111的第一空间s1中的废气通过第一网孔部241流入内壳体210中，并且与中空纤维膜220的外表面接触。随后，被移除水分的废气通过第二网孔部242离开第二空间s2，然后通过废气出口113从中间壳体111排出。在这种情况下，通过第一网孔部241流入内壳体210的废气的流量可以通过流量控制部300自动地控制。
54.中空纤维膜220可以包括由聚砜树脂、聚醚砜树脂、磺化聚砜树脂、聚偏二氟乙烯(pvdf)树脂、聚丙烯腈(pan)树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚酯酰亚胺树脂或它们中的两种以上的混合物形成的聚合物膜，灌封部230可以通过浇注法如深灌封或离心灌
封使液体树脂如液体聚氨酯树脂固化而形成。
55.树脂层115形成在筒体200和中间壳体111之间，并且树脂层115将筒体200固定至中间壳体111并且阻挡封盖120的内部空间和中间壳体111的内部空间。根据设计，树脂层115可以由衬垫组件替代，该衬垫组件通过机械组件与加湿模块110的各端气密接合。
56.参照图6，根据本发明的实施方案的筒体200包括流量控制部300，其自动控制通过第一网孔部241流入内壳体210的废气的流量。流量控制部300形成为根据废气的流量在内壳体210的一个表面上可移动，以自动控制废气的流量。
57.参照图8，流量控制部300包括阻挡构件310和控制构件320。阻挡构件310形成在内壳体210的一个表面上，以阻挡构成第一网孔部241的至少一个网孔窗口w，使得废气不流入内部。阻挡构件310可以形成为与内壳体210的一个表面相对应的形状。
58.控制构件320形成为固定至阻挡构件310的一个表面。根据废气的流量，控制构件320在被压缩或膨胀的同时移动阻挡构件310。具体地，控制构件320包括挤压构件321和弹性构件322。挤压构件321形成为相对于阻挡构件310的一侧(垂直侧或水平侧)以预定角度倾斜的形式，并且形成为从阻挡构件310的上表面延伸至预定的高度。弹性构件322由能够根据压力被压缩或膨胀的构件形成，其一端被固定至隔板114并且另一端被固定至挤压构件321。任选地，弹性构件322的一端可以被固定至树脂层115或衬垫组件(未示出)，并且另一端可以被固定至挤压构件321。
59.将参照图9描述如上所述配置的流量控制部300的操作。图9是示出流量控制部300的操作过程的平面图。
60.在从电池堆排出的废气通过废气入口112流入内部之后，废气在中壳体111内部的第一空间s1中流动的同时，通过构成第一网孔部241的网孔窗口w流入其中设置有中空纤维膜的内壳体210中。在这种情况下，废气流(f)的至少一部分在与形成在阻挡构件310的上表面上的挤压构件321碰撞的同时挤压挤压构件321。弹性构件322通过挤压而压缩，因此，挤压构件321朝向隔板114移动。在这种情况下，形成为固定至挤压构件321的阻挡构件310也一起移动。由于阻挡构件310的移动，构成第一网孔部241的更多量的网孔窗口w被打开(见图6和图7)。
61.当从燃料电池堆排出的废气的流量高时，废气流f剧烈地挤压挤压构件321以打开相对多数目的网孔窗口w，并且当废气的流量低时，较弱地挤压挤压构件321以打开相对少数目的网孔窗口w。因此，根据废气的流量，流量控制部300可以自动地控制流入内壳体210的废气的流量。
62.尽管上面对本发明的实施方案进行了说明，但是本领域技术人员在不脱离权利要求书所记载的本发明的构思的情况下，可以通过组件的附加、改变、删除、添加等来对本发明进行各种修改和改变，并且这些也认为包含在本发明的范围内。
63.[附图标记说明]
[0064]
100：燃料电池膜加湿器
[0065]
110：加湿模块 111：中间壳体
[0066]
112：废气入口 113：废气出口
[0067]
114：隔板 115：树脂层
[0068]
200：筒体 210：内壳体
[0069]
220：中空纤维膜 230：灌封部
[0070]
240：网孔部
[0071]
300：流量控制部 310：阻挡构件
[0072]
320：控制构件 321：挤压构件
[0073]
322：弹性构件

技术特征：
1.一种自动流量控制筒体，包括：内壳体，该内壳体包括：第一网孔部，从燃料电池堆排出的废气通过所述第一网孔部流入内部；和第二网孔部，通过所述第一网孔部流入内部的废气在水分交换后通过所述第二网孔部排出至外部；和流量控制部，该流量控制部形成为可在所述内壳体的表面上移动，并且配置为根据废气的流量，控制通过所述第一网孔部流入内部的废气的流量。2.根据权利要求1所述的自动流量控制筒体，其中，所述流量控制部包括，阻挡构件，该阻挡构件形成在所述内壳体的一个表面上以阻挡构成所述第一网孔部的至少一个网孔窗口，使得废气不流入内部；和控制构件，该控制构件形成在所述阻挡构件的一个表面上，并且配置为根据废气的流量，在被压缩或膨胀的同时移动所述阻挡构件。3.根据权利要求2所述的自动流量控制筒体，其中，所述控制构件包括，挤压构件，该挤压构件形成为相对于所述阻挡构件的一侧以预定角度倾斜的形式；和弹性构件，该弹性构件形成为固定至所述挤压构件，并且能够根据废气的流量被压缩或膨胀。4.一种燃料电池膜加湿器，包括：中间壳体；固定至所述中间壳体的封盖；和设置在所述中间壳体中并且配置为容纳多个中空纤维膜的至少一个筒体，其中，所述筒体包括：内壳体，该内壳体包括：第一网孔部，从燃料电池堆排出的废气通过所述第一网孔部流入内部；和第二网孔部，通过所述第一网孔部流入内部的废气在水分交换后通过所述第二网孔部排出至外部；和流量控制部，该流量控制部形成为可在所述内壳体的表面上移动，并且配置为根据废气的流量，控制通过所述第一网孔部流入内部的废气的流量。5.根据权利要求4所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述流量控制部包括，阻挡构件，该阻挡构件形成在所述内壳体的一个表面上以阻挡构成所述第一网孔部的至少一个网孔窗口，使得废气不流入内部；和控制构件，该控制构件形成在所述阻挡构件的一个表面上，并且配置为根据废气的流量，在被压缩或膨胀的同时移动所述阻挡构件。6.根据权利要求5所述的燃料电池膜加湿器，其中，所述控制构件包括：挤压构件，该挤压构件形成为相对于所述阻挡构件的一侧以预定角度倾斜的形式；和弹性构件，该弹性构件形成为固定至所述挤压构件，并且能够根据废气的流量被压缩或膨胀。7.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，包括：隔板，该隔板配置为分隔所述中间壳体的内部空间，其中，所述弹性构件的一端固定至所述隔板，并且另一端固定至所述挤压构件。8.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，包括：树脂层，该树脂层形成在所述中间壳体和所述筒体之间，
其中，所述弹性构件的一端固定至所述树脂层，并且另一端固定至所述挤压构件。9.根据权利要求6所述的燃料电池膜加湿器，包括：衬垫组件，该衬垫组件形成在所述中间壳体和所述筒体之间，其中，所述弹性构件的一端固定至所述衬垫组件，并且另一端固定至所述挤压构件。

技术总结
本发明涉及一种自动流量控制筒体和包括其的燃料电池膜加湿器，所述自动流量控制筒体能够自动控制从燃料电池堆排出并引入筒体内的废气的流量。根据本发明的一个实施方案的自动流量控制筒体包括：内壳体，该内壳体具有在其中形成的第一网孔部，从燃料电池堆排出的废气通过所述第一网孔部引入，和第二网孔部，通过所述第一网孔部引入的废气通过所述第二网孔部进行水分交换然后排出至外部；和流量控制单元，该流量控制单元可移动地形成在所述内壳体的一个表面上，并且根据废气的流量控制引入到所述第一网孔部中的废气的流量。到所述第一网孔部中的废气的流量。到所述第一网孔部中的废气的流量。


技术研发人员：梁炯模 金京柱 安雄铨 金仁镐
受保护的技术使用者：可隆工业株式会社
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2023/9/16