中空纤维膜盒式加湿组件及其制造方法与流程

本发明涉及一种中空纤维膜盒式加湿组件及其制造方法，更具体地，涉及下述一种中空纤维膜盒式加湿组件及其制造方法，其中共用的中空纤维膜盒被插入于壳体并与壳体形成一体，实现具有更多种容量的产品，提高中空纤维膜盒的使用效率，并且通过简化的封装，可减少制造时间和成本。

背景技术：

燃料电池是通过氢和氧的结合产生电能的发电型电池。燃料电池与诸如干电池或蓄电池等的一般的电池不同，燃料电池的优点是只要供给氢和氧，就可以连续发电，并且没有热损失，因此其具有大约两倍于内燃机的效率。此外，该燃料电池由于将因氢氧结合而产生的化学能直接转换成电能，因此污染物排放较低。因此，燃料电池具有以下优点：不仅对环境有利，而且能够降低因能量消耗的增加带来的人们对资源枯竭的担忧。这样的燃料电池根据所使用的电解质的种类大体分为聚合物电解质膜燃料电池(polymerelectrolytemembranefuelcell: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)、碱性燃料电池(afc)等。这些各自燃料电池归根结底根据相同原理工作，但是所使用的燃料的种类、工作温度、催化剂、电解质等互不相同。其中，聚合物电解质膜燃料电池与其他类型的燃料电池相比，由于能够在低温下工作，且输出密度大而能够实现小型化，因此不仅在小规模安装型发电装备上、且在输送系统上具有最好的未来展望性。

在提高聚合物电解质膜燃料电池性能方面最重要的因素之一为，通过提供不少于预定水平的水分来保持膜电极组件(membraneelectrodeassembly:mea)的聚合物电解质膜或质子交换膜(polymereletrolytemembrane或protonexchangemembrane:pem)中水分的含量。这是因为在聚合物电解质膜干燥时，发电效率会急剧下降。聚合物电解质膜的加湿方法包括：1)在耐压容器中加满水并使目标气体通过扩散器(diffuser)从而供给水分的起泡(bubbler)加湿方法、2)将对燃料电池反应所需供水量进行计算并通过电磁阀向气体流动管直接提供水分的直接喷射(directinjection)方法、和3)利用高分子分离膜向气体流动层供给水分的加湿膜方法等。在这些方法中，从可实现加湿器的轻量化和小型化角度考虑，加湿膜方法有利，该方法利用仅使排出气体中所包含的水蒸气进行选择性渗透的膜将水蒸气向聚合物电解质膜供给以对聚合物电解质膜进行加湿。

如果在形成膜组件时，用于加湿膜方法的选择性渗透膜优选的是中空纤维膜，其每单位体积下具有大的渗透面积。也就是说，使用中空纤维膜制造加湿器时，可以实现具有大的接触表面积的中空纤维膜的高集成化，因此即使使用小量，也可对燃料电池充分进行加湿。此外，能够使用廉价材料，对从燃料电池中以高温排出的未进行反应的气体中所包含的水分和热进行回收，以通过加湿器可进行再利用。

但是，在传统的中空纤维膜组件的情况下，为了增加组件的容量，当多个中空纤维膜被集成，向中空纤维膜外部流动的气体的流动因中空纤维膜导致的不一致的阻力而不能形成均匀的流动。为了解决上述问题，采用了通过对所述中空纤维膜束进行分割来增加容量或者对单位组件进行盒型化来增加容量的技术。但是这个技术可能导致制造成本的增加，这是因为制造单个盒组件所要求的时间过长，或者当分割束的时候低下的工作能力可能导致质量的变化。

专利文献

(专利文献1)韩国专利公开第2011-0109814号(公开日：2011.10.06)

(专利文献2)韩国专利公开第2012-0074507号(公开日：2012.07.06)

(专利文献3)韩国专利公开第2013-0034404号(公开日：2013.04.05)

技术实现要素：

技术课题

本发明的目的在于，提供一种中空纤维膜盒加湿组件及其制造方法，其中，多个共用的中空纤维膜盒被插入于壳体并与壳体形成一体，从而可以实现具有更大不同容量的产品，可以提高所述中空纤维膜盒的使用效率，并且可以通过简化了的封装减少制造时间和成本。

解决技术课题的技术手段

根据本发明的中空纤维膜盒式加湿组件，包括：壳体；共用的中空纤维膜盒，夹在多个中空纤维膜束的两端部，所述多个中空纤维膜束沿着壳体的长度方向插入壳体内；划分部，形成在壳体内，用于对多个中空纤维膜束进行划分；封装部，一次性地对多个共用的中空纤维膜盒以及中空纤维膜束封装在壳体内。

在壳体内进一步包括共用的空盒，用于根据加湿容量或加湿度在没有中空纤维膜束的情况下夹到划分部内，被一次性地封装到壳体内。在共用的中空纤维膜盒中形成有流体通过部，用于流体容易地向中空纤维膜束内流入。

优选地，共用的中空纤维膜盒中的中空纤维膜束包括占整体体积30～60体积％的中空纤维膜。

壳体可以具有圆形、椭圆形或者多边形的横截面形状。

共用的纤维膜盒可以具有圆形、椭圆形或者多边形的横截面形状。优选地，共用的中空纤维膜盒中的所述中空纤维膜束的等效直径(equivalentdiameter)和长度的比例为1:2～1:10。

共用的空盒具有圆形、椭圆形或多边形的形状，并且被封闭以阻止流体流入到划分部的插入空间内部。

根据本发明的中空纤维膜盒式加湿组件的制造方法，该方法包括下述步骤：准备共用的中空纤维膜盒，该中空纤维膜盒夹在中空纤维膜束的两端部；制造壳体，该壳体具有划分部，划分部根据共用的中空纤维膜盒的形状和数量被确定其容量，以划分中空纤维膜束；将多个共用的中空纤维膜盒和中空纤维膜束插入壳体内而进行排列；将被排列的多个共用的中空纤维膜盒和所述中空纤维膜束一次性地封装在壳体内。

在制造壳体的步骤中，划分部可以与壳体一体形成，或者可以独立于壳体来制造并与壳体组装在一起。

发明的效果

根据本发明的中空纤维膜盒式加湿组件及其制造方法具有下述效果：通过将多个共用的中空纤维膜盒插入壳体并与壳体形成一体，从而壳体可以根据共用的中空纤维膜盒的形状和数量进行制造，从而能够被扩大利用为多种容量的产品，并且可以根据共用的中空纤维膜盒的形状和数量以及尺寸比例来提高其使用效率。此外，通过一次性地封装多个共用的中空纤维膜盒和中空纤维膜，由此可以通过简化了的封装减少制造时间和成本。

附图说明

图1为对根据本发明的第一实施例的中空纤维膜盒式加湿组件的分解立体图；

图2为沿着图1中的箭头a-a’的截面图(纵向截面图)；

图3为表示图2的共用的中空纤维膜盒的立体图；

图4为表示根据本发明第二实施例的中空纤维膜盒式加湿组件的截面图(纵向截面图)；

图5为表示图4的共用的空盒的立体图；

图6为表示根据本发明的第三实施例的部分中空纤维膜盒式加湿组件的分解立体图；

图7为表示根据本发明的实施例的所述中空纤维膜盒式加湿组件的制造过程的流程图；

图8为传统的中空纤维膜组件的横截面图。

具体实施方式

下面将参考附图，对本发明的实施例进行详细描述，以便本领域的技术人员容易实施。然而，本发明可以以不同的方式实现，并不局限于在此说明的实施例。

图1为对根据本发明的第一实施例的中空纤维膜盒式加湿组件的分解立体图，图2为沿着图1中的箭头a-a’的截面图(纵向截面图)，图3为表示图2的共用的中空纤维膜盒的立体图。如图所示，根据第一实施例的中空纤维膜盒式加湿组件100包括壳体110、共用的中空纤维膜盒200、划分部130、封装部140和盖150。

壳体110和盖150可以形成加湿组件100的外观，并可以由例如聚碳酸酯的硬塑料或金属制成。此外，如图1所示，壳体110和盖150在宽度方向上可以具有多边形横截面形状，或如图6所示，可以具有圆形的横截面形状。多边形可以是，例如矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形或六边形，并且可以具有圆角。此外，圆形可以是椭圆形。

壳体110在其一端安装有注入口111，加湿流体供给到该注入口中，在壳体110的另一端设有排放口112，已经用于加湿内部的加湿流体从排放口排出。盖150被安装到壳体11的两端。

共用的中空纤维膜盒120夹到多个中空纤维膜束160的两端部，该多个中空纤维膜束沿着壳体长度方向插入到壳体110中。共用的中空纤维膜盒120具有如下结构：在其中，多个流体通过部122形成在具有开放的两端的主体部121一端的外表面中，并允许流体容易地通过流体通过部122被导入到中空纤维膜束160的中空纤维膜161之间的空间中。此外，中空纤维膜盒被安装，以便一部分流体通过部122朝向封装部140布置，封装部能够容易地封装共用的中空纤维膜盒120。

虽然在本实施例中，共用的中空纤维膜盒120具有矩形横截面形状，但是其也可以具有圆形、椭圆形或任意其他多边形的形状，并当它是多边形时，可以具有圆角。在共用的中空纤维膜盒中的中空纤维膜束的等效直径(equivalentdiameter)和长度的比例可以从1：2到1：10。等效直径是被要求将与流体接触的例如多边形的表面积换算成具有相同尺寸的圆形的直径。等效直径用于基于圆管来计算流动阻力、流量或热传递。等效直径可以根据多边形或不同的其他形状，通过已知的方法进行计算。

划分部130安装在壳体110内部，并且对中空纤维膜束160进行划分。划分部130可以与壳体110一体地形成，也可以独立形成并与壳体110组装在一起。中控纤维膜束160被插入到划分部130内部的各插入空间中。

当将共用的中空纤维膜盒120的末端(流体通过部一侧)中的中空纤维膜束160的中空纤维膜161进行捆绑时，封装部140填充中空纤维膜161之间的孔隙，并且还与壳体110的两端的内表面接触，从而密闭地封住壳体110。封装部140的材料是公知的，因此在此省略对其详细的描述。

封装部140形成在壳体110两端的内部，以便中空纤维膜盒120内部的中空纤维膜束160的两端被固定在壳体110。因此，壳体110的两端被封装部140堵住，从而在壳体的内部形成加湿流体通过的流动通路。在本发明中，多个共用的中空纤维膜盒120和中空纤维膜束160被一次性地封装在壳体110中。

盖150与壳体110的各端连接。在盖150中设有流体出入口151。当被导入到一侧盖150的流体出入口151的工作流体在通过中空纤维膜束160的中空纤维膜161的内部通路时被加湿，并从另一侧盖150的流体出入口151排出。

根据加湿组件100的容量，多个中空纤维膜束160被插入并安装在划分部130内的插入空间中。中空纤维膜束160的中空纤维膜161选择性地渗透水分。中空纤维膜161的材料是公知的，因此在此省略对其的详细描述。中空纤维膜束160包括所述中空纤维膜束整体体积的30体积％到60体积％范围之内的中空纤维膜161。

图4为表示根据本发明第二实施例的中空纤维膜盒式加湿组件200的截面图(纵向截面图)，图5为表示图4的共用的空盒的立体图。如图所示，可以进一步包括共用的空盒170，该空盒安装在壳体110的内部，从而在没有中空纤维膜束的情况下被夹到划分部130中，并且根据加湿组件的加湿容量和加湿度，一次性地封装到壳体中。

共用的空盒170具有圆形、椭圆形或多边形的形状，并且其被封闭以阻止流体流入划分部130的插入空间中。第二实施例的共用的空盒170具有矩形容器的形状，该矩形容器与划分部130的插入空间相匹配。划分部130内部的插入空间是空的，共用的空盒170被插入该插入空间。第二实施例的剩余的结构与第一实施例相同，所以使用相同的附图标记进行标识，并省略其详细描述。

图6为表示根据本发明的第三实施例的部分中空纤维膜盒式加湿组件的分解立体图。如图所示，根据第三实施例的中空纤维膜盒式加湿组件300包括壳体310、共用的中空纤维膜盒320、划分部(未示出)、封装部340、盖350和通过捆绑中空纤维膜361而形成的中空纤维膜束360。第三实施例的中空纤维膜盒式加湿组件300具有圆柱形的形状，其余的结构与第一实施例相似，因此省略对其的详细描述。

具有上述结构的根据本发明的实施例的中空纤维膜盒式加湿组件100，如图7所示，通过准备共用的中空纤维膜盒的步骤s110、制造壳体的步骤s120、排列盒的步骤s130、封装盒的步骤s140以及盖组装步骤s150来完成。

准备共用的中空纤维膜盒的步骤s110是准备多个共用的中空纤维膜盒120的步骤，其通过已知的注塑、挤出成形、加工等方法制造。制造壳体的步骤s120是制造具有划分部130的壳体110的步骤，在根据共用的中空纤维膜盒120的形状和数量确定组件的容量之后，划分中空纤维膜束160。排列盒的步骤s130是将多个共用的中空纤维膜盒120和中空纤维膜束160插入壳体110内的划分部130而进行排列的步骤。封装盒的步骤s140是将被排列的多个共用的中空纤维膜盒120和中空纤维膜束160一次性地封装到壳体110中的步骤。盖组装步骤s150是将盖150与壳体110的两端组装起来的步骤，其中，共用的中空纤维膜盒120和中空纤维膜束160已经被封装。

共用的中空纤维膜盒120和壳体110可以通过分开的过程进行制造而准备。在壳体制造步骤s120中，划分部130可以与壳体110一体地制造。此外，在壳体制造步骤s120中，划分部130可以分开制造，然后再与壳体110组装到一起。

对于上述的制造中空纤维膜盒式加湿组件的方法，共用的中空纤维膜盒被插入在壳体并与壳体成一体，因此壳体可以根据共用的中空纤维膜盒的形状和数量进行制造，这能够实现具有更大不同容量的产品，并且根据其形状、数量以及尺寸比例，提高共用的中空纤维膜盒的使用效率。此外，通过一次性地封装多个共用的中空纤维膜盒，通过简化了的封装，可以减少制造时间和成本。

在下文中，将通过实施例、对比例和实验例来更加详细地描述本发明的结构和效果，其中加湿组件根据本发明的实施例进行制造。这些实施例仅对本发明进行实例说明，本发明的内容并不因下述实施例受限制。

[实施例：加湿组件的制造]

(对比例1)

将12个盒的每个都封装，所述12个盒需要将4,200个聚砜中空纤维膜(外径：900μm、内径：800μm)划分为12束(每束具有350个中空纤维膜)，12个封装的盒置于多边形壳体(宽：250mm，高：150mm，长：300mm)的内部，并且对壳体的两端进行封装，然后，在所述壳体的两端部覆盖盖，由此制造出加湿组件。

(对比例2)

如图8所示，将6,000个聚砜中空纤维膜(具有900μm的外径以及800μm的内径)作为一束421形成了多边形壳体410(宽：250mm，高：150mm，长：300mm)内部的单个组件420。

在所述壳体两端覆盖用于形成封装部的帽，封装组合物注入到所述中空纤维膜束中的空间和所述中空纤维膜束与所述壳体之间的空间，并固化，从而进行密封(seal)。并去除所述用于形成封装部的帽后，通过切掉所述固化的中空纤维膜封装组合物的末端，而使所述中空纤维膜束的端部从切断部分露出，由此形成封装部。然后，通过在所述壳体的两端部上覆盖盖而制造出加湿组件。

(实施例1)

将4,800个聚砜中空纤维膜(外径：900μm、内径：800μm)划分为12束(每束具有400个聚砜中空纤维膜)，并且共用的中空纤维膜盒被插入到各个束的两端。然后，盒被插入于形成在多边形壳体(宽：250mm，高：150mm，长：300mm)内部的划分部的插入空间中(参见图1)。

在所述壳体两端覆盖用于形成封装部的帽，封装组合物注入到所述中空纤维膜束之间的空间以及所述中空纤维膜束和所述壳体之间的空间，并固化，从而进行密封。并去除所述用于形成封装部的帽后，通过切掉所述固化的空纤维膜封装组合物的末端，而使所述中空纤维膜束的端部从切断部分露出，由此形成封装部。然后，通过在所述壳体的两端部上覆盖盖而制造出加湿组件。

(实施例2)

将4,200个聚砜中空纤维膜(外径：900μm、内径：800μm)划分为12束(每束具有350个聚砜中空纤维膜)，并且共用的中空纤维膜盒被插入到各个束的两端。然后，盒被插入于形成在多边形壳体(宽：250mm，高：150mm，长：300mm)内部的划分部的插入空间中(参见图1)。

在所述壳体两端覆盖用于形成封装部的帽，封装组合物注入到所述中空纤维膜束之间的空间以及所述中空纤维膜束和所述壳体之间的空间，并固化，从而进行密封。并去除所述用于形成封装部的帽后，通过切掉所述固化的空纤维膜封装组合物的末端，而使所述中空纤维膜束的端部从切断部分露出，由此形成封装部。然后，通过在所述壳体的两端部上覆盖盖而制造出加湿组件。

实验例：制造的加湿组件的性能测量

将流量为50g/sec的干燥的空气导入到由所述实施例和比较例制造的加湿组件的中空纤维膜的内部和外部。然后将中空纤维膜的外部条件保持在温度为70℃、湿度为90％且将中空纤维膜的内部条件保持在温度为40℃、湿度为10％，实施气体-气体的加湿。

加湿性能是通过对流过所述中空纤维膜内部的空气被加湿而出来的出口处的温度和湿度进行测量，并将测量值换算为露点(dewpoint)来进行测量，其结果如下面表1所示。

表1

参考图1，能够看出，与对比例1相比，实施例1和实施例2中制造的加湿组件具有更少的封装次数和更简化的封装，并且与对比例2相比，减少了加湿膜的数量，达到了更高的加湿性能。

如上所述，对本发明的优选实施例进行了详细描述，但本发明的权利范围并不限于此，利用所附权利要求范围定义的本发明基本概念的本领域技术人员所进行的各种变形和改进方式也应属于本发明的权利范围。

附图标记

100：加湿组件

110：壳体

111：注入口

112：排出口

120：共用的中空纤维膜盒

130：划分部

140：封装部

150：盖

151：流体出入口

160：中空纤维膜束

161：中空纤维膜

170：共用的空盒