一种中空纤维膜管集管装置、集管方法以及膜管增湿器与流程

[0001]
本申请属于燃料电池增湿系统技术领域，具体涉及一种中空纤维膜管集管装置、集管方法以及膜管增湿器。


背景技术：

[0002]
随着全球环境与能源等问题的日益严峻，燃料电池汽车因其无污染、能量转换效率高、原料来源广等优点，被认为是未来最具前景的能源动力装置。增湿器作为燃料电池系统的重要零部件，负责调节燃料电池反应气体维持在合适湿度范围内，以保证电化学反应的顺利进行。
[0003]
膜增湿系统，利用湿热尾气对干空气进行增湿，通过增湿器内部传热传质，提高干空气温度与湿度，现阶段膜增湿器内部大都使用中空纤维膜管或nafion管，但集管过程中比较粗放，不能充分保证中空纤维膜管的排列及彼此之间的间隙，造成湿热尾气在膜管周围分布不均匀且不充分，导致膜增湿器增湿效率不高且体积过大，影响燃料电池系统的工作性能和体积功率密度。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述技术问题，本发明提供一种中空纤维膜管集管装置、集管方法以及膜管增湿器，可对中空纤维膜管进行有序排列，保证膜管之间有足够的均匀间隙。
[0005]
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种中空纤维膜管集管装置，包括操作台、两条集管条、升降平台、弹性布管机构、拉伸装置和滴胶装置，其中：
[0006]
所述集管条用于承托集管组，两条所述集管条相互平行、分别设置于所述操作台台面的两侧，以使所述集管组的两端分别位于两条所述集管条上；
[0007]
所述升降平台设置于所述操作台中部开设的升降槽中，且位于两条所述集管条之间；
[0008]
所述弹性布管机构和所述拉伸装置均安装于所述升降平台上，所述弹性布管机构为可拉伸伸长的机构，所述弹性布管机构沿集管条轴向设置；所述拉伸装置可伸缩，用于对所述弹性布管机构进行拉伸；
[0009]
所述滴胶装置设置于所述操作台上，用于对布管后的所述集管组滴胶固定。
[0010]
可选的，所述弹性布管机构为至少一根沿集管条轴向延伸、且相互平行的橡皮筋条；所述橡皮筋条的表面粗糙度满足当所述橡皮筋条被拉伸伸长时，所述集管组中的各根膜管均不发生滚动。
[0011]
可选的，所述弹性布管机构包括与所述集管组的中空纤维膜管数量相匹配的托座，相邻两个所述托座通过规格统一的弹性件连接；或者各所述托座通过至少一根沿集管条轴向延伸、且相互平行的弹性件连接。
[0012]
可选的，所述拉伸装置设置有两组，两组所述拉伸装置沿集管条轴向分布于所述弹性布管机构的两侧，所述弹性布管机构的两端分别与两组所述拉伸装置连接。
[0013]
可选的，所述拉伸装置包括夹紧条和可伸缩的牵引器。
[0014]
可选的，所述夹紧条包括两个平行设置的夹臂，两个夹臂之间通过弹性件连接。
[0015]
可选的，所述中空纤维膜管集管装置还包括定型框，所述定型框的内框尺寸与所述集管组的外形尺寸相同。
[0016]
可选的，所述定型框为长度和宽度均可调的方框，所述方框的高度大于所述集管组的中空纤维膜管的外管径。
[0017]
基于同样的发明构思，本发明还对应提供了一种基于上述中空纤维膜管集管装置的集管方法，包括如下步骤：
[0018]
将所述升降平台升至高于所述集管条的上表面的位置，将一组同规格的中空纤维膜管以两端对齐、互相平行、彼此紧靠无间隙的状态排列在所述弹性布管机构上，确保各所述中空纤维膜管端头的位置差不超过设定值，完成膜管排列阶段；
[0019]
启动所述拉伸装置，将所述弹性布管机构拉伸伸长设定的距离l，以使所述中空纤维膜管之间出现均匀的管间距l1，拉伸距离l＝(n-1)*l1，其中n为一组中空纤维膜管的管数量，将所述升降平台下降至所述操作台的台面以下，具有均匀间隙的集管组落在两条所述集管条上，完成均匀间隙生成阶段；
[0020]
所述滴胶装置对具有均匀间隙的所述集管组滴胶固定，得到呈联排链状的膜管链。
[0021]
基于同样的发明构思，本发明还对应提供了一种膜管增湿器，包括增湿组件，所述增湿组件由上述集管方法制作得到的所述膜管链经过叠加或者卷曲套装制作而成。
[0022]
由上述技术方案可知，本发明提供的中空纤维膜管集管装置，包括操作台、两条集管条、升降平台、弹性布管机构、拉伸装置和滴胶装置，集管条是膜管增湿器的增湿组件的一部分，起到连接各根中空纤维膜管的作用，在本装置中集管条用于承托集管组，两条集管条相互平行、分别设置于操作台台面的两侧，以使集管组的两端分别位于两条集管条上；升降平台用于驱动弹性布管机构和拉伸装置升降，实现自动落管，弹性布管机构为可沿集管条轴向拉伸伸长的机构，拉伸装置用于对弹性布管机构进行拉伸，利用弹性布管机构的弹性，以及被拉伸后能够均匀变形的特性，使得放置在弹性布管机构上的各根中空纤维膜管均匀铺开，以形成均匀的管间距。布管后通过升降平台下降使得具有均匀管间距的集管组落在集管条上，滴胶装置用于对布管后的集管组滴胶固定，将集管条与各根中空纤维膜管固定在一起，形成联排链状的膜管链。
[0023]
本发明提供的集管方法，在布管前首先将一组同规格的中空纤维膜管以两端对齐、互相平行、彼此紧靠无间隙的状态排列在弹性布管机构上，确保各中空纤维膜管端头的位置差不超过设定值，通过上述操作可以确保布管后得到均匀的管间距，并且各中空纤维膜管端头齐平，不需要再次调整管位置。生成均匀间隙的过程中，根据膜管增湿器要求的管间距l1确定好拉伸距离l，通过拉伸装置将弹性布管机构拉伸伸长设定的距离，弹性布管机构在拉伸过程中发生均匀的变形，从而带动其上的各中空纤维膜管均匀移动、间隔l1，布管后升降平台下降，使得具有均匀间隙的集管组落在两条集管条上，滴胶装置对具有均匀间隙的集管组滴胶固定，得到呈联排链状的膜管链。
[0024]
与现有技术相比，本发明利用弹性布管机构的均匀弹性变形获得均匀的管间距，对中空纤维膜管进行有序排列，保证膜管之间有足够间隙，有利于湿热尾气均匀流经膜管
外侧，减少流动阻力，提高增湿效率。由该膜管链制作的膜管增湿器具有增湿效率高、体积较小的优点，保证燃料电池系统的工作性能和体积功率密度。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例1中中空纤维膜管集管装置的结构示意图；
[0026]
图2为本发明实施例2中集管方法的膜管排列阶段操作示意图；
[0027]
图3为本发明实施例2中集管方法的均匀间隙生成阶段操作示意图；
[0028]
图4为本发明实施例2中集管方法的滴胶固定阶段操作示意图；
[0029]
图5为本发明实施例2制作得到的膜管链的结构示意图；
[0030]
图6为中空纤维膜管的增湿原理图。
[0031]
附图标记说明：中空纤维膜管集管装置1；操作台2；集管条3；升降槽4；升降平台5；拉伸装置6；夹紧条7；牵引器8；弹性布管机构9，橡皮筋条91；橡皮筋条端部10；集管条轴向11；滴胶装置12；滴胶导轨13；中空纤维膜管14；中空纤维膜管端部15；膜管工作长度16；定型框18；膜管链20；集管条外间距21；膜管长度22；集管条宽度23；滴胶24；膜管内孔25；膜管外侧26；湿热尾气a；新鲜干空气b。
具体实施方式
[0032]
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
[0033]
实施例1：
[0034]
本发明实施例提供一种中空纤维膜管集管装置1，其结构如图1所示，包括操作台、两条集管条3、升降平台5、弹性布管机构9、拉伸装置6和滴胶装置12。根据燃料电池增湿需求，以及增湿器客体内部的流体特征，对中空纤维膜管14进行有序排列，保证膜管之间有足够间隙，有利于湿热尾气均匀流经膜管外侧，减少流动阻力，提高增湿效率。
[0035]
下面结合一典型实施例对本发明的中空纤维膜管集管装置1的结构进行详细描述：
[0036]
操作台是该装置的操作平台，操作台的台面由不锈钢或其它材料制成，表面平整，操作台中间开有升降槽4，供升降平台5升降移动，该升降槽4优选长方体凹槽，长方体的两长边平行于操作台长边。
[0037]
集管条3是膜管增湿器的增湿组件的一部分，起到连接各根中空纤维膜管14的作用，在本装置中集管条3用于承托集管组，两条集管条3相互平行且有一定间距，集管条3内间距由增湿器膜管工作长度16决定，增湿器传热传质过程都在该区域内进行；两条集管条3分别设置于操作台台面的两侧，以使集管组的两端分别位于两条集管条3上。集管条外间距21等于或略小于膜管长度22，且集管条宽度23在保证功能前提下尽量窄，以免在灌封过程中造成浪费。
[0038]
集管条3易弯折或者卷曲，具备一定抗拉伸性能，能够满足后续增湿器的加工设计需求。集管条3可以由有机高分子材料制作而成，表面具有一定粗糙度，中空纤维膜管14在由弹性布管机构9缓慢下落到集管条3上的过程中，中空纤维膜管14不至于随意滚动，而且在滴胶过程中，也不至于随便移动位置，进而保证纤中空维膜管之间均匀、稳定的管间距及
管端对齐。
[0039]
升降平台5用于驱动弹性布管机构9和拉伸装置6升降，实现自动落管，升降平台5设置于操作台中部开设的升降槽4中，且位于两条集管条3之间。升降平台5的移动上限必须保证升降平台表面高于集管条上表面，下限必须必须保证弹性布管机构上表面低于操作台表面。升降平台5可采用现有的任一种升降装置，具体选型本发明不做限制。
[0040]
弹性布管机构9和拉伸装置6均安装于升降平台5上，弹性布管机构9为可拉伸伸长的机构，弹性布管机构9沿集管条3轴向设置，其拉伸方向平行于集管条3轴向。弹性布管机构9中设置有弹性元件，该弹性元件满足具有弹性，以及被拉伸后能够均匀变形的特性即可，弹性布管机构9的具体结构本发明不做限制。
[0041]
为简化装置结构。提高操作便捷性，本实施例中，弹性布管机构9为至少一根沿集管条3轴向延伸、且相互平行的橡皮筋条91；橡皮筋条91的表面粗糙度满足当橡皮筋条91被拉伸伸长时，集管组中的各根膜管均不发生滚动。橡皮筋条91可由一根宽扁橡皮筋或者若干根橡皮筋条91序列组成，但是对宽度有一定需求，保证在拉伸过程中，中空纤维膜管14与橡皮筋条91有足够的摩擦力，不能随意滚动；对厚度也有一定要求，保证在拉伸过程中，不发生断裂及太薄。
[0042]
在另一实施例中，弹性布管机构9包括与集管组的中空纤维膜管14数量相匹配的托座，相邻两个托座通过规格统一的弹性件连接，例如一组集管组包含20根中空纤维膜管14，则托座设置20个，两两之间通过同规格(原始长度、弹性模量等)的弹性件连接。或者各托座通过至少一根沿集管条3轴向延伸、且相互平行的弹性件连接，例如各托座以互相平行、彼此紧靠无间隙的状态排列在一根弹簧上，弹簧的钢线穿过各托座的底部。
[0043]
拉伸装置6用于对弹性布管机构9进行拉伸，利用弹性布管机构9的弹性，以及被拉伸后能够均匀变形的特性，使得放置在弹性布管机构9上的各根中空纤维膜管14均匀铺开，以形成均匀的管间距。拉伸装置6可伸缩，可采用现有的任一种直线位移机构，具体选型本发明不做限制。
[0044]
本实施例中，拉伸装置6设置有两组，两组拉伸装置6沿集管条3轴向分布于弹性布管机构9的两侧，弹性布管机构9的两端分别与两组拉伸装置6连接。拉伸装置6包括夹紧条7和可伸缩的牵引器8，夹紧条7呈长条形，能夹住一根或者多根橡皮筋条91两端部10，牵引器8带动夹紧条7沿橡皮筋条91拉伸轴线运动，拉伸方向平行于集管条3轴向11，即长方体槽的长边方向。
[0045]
作为优选方案，夹紧条7包括两个平行设置的夹臂，两个夹臂之间通过弹性件连接，使得夹紧条7可以沿垂直于升降平台5方向调整，满足不同厚度橡皮筋条91拉伸需求，保证橡皮筋条91背面始终贴合升降平台5平面，或略高于升降平台5，悬空高度小于等于1mm；如有悬空，橡皮筋条91会在膜管重力作用下下垂，形成对称的倾斜角度，倾斜角度上的摩擦力必须能克服重力分离，保证膜管不随意滚动。
[0046]
滴胶装置12设置于操作台上，用于对布管后的集管组滴胶固定。滴胶装置12中设置有滴胶导轨13，布管后通过升降平台5下降使得具有均匀管间距的集管组落在集管条3上，滴胶装置12顺着滴胶导轨13打胶液，将集管条3与各根中空纤维膜管14固定在一起，形成联排链状的膜管链20，如图5所示。
[0047]
为提高膜管链20的结构精度，作为优选方案，该中空纤维膜管集管装置1还包括定
型框18，定型框18的内框尺寸与集管组的外形尺寸相同。定型框18为长度和宽度均可调的方框，方框的高度大于集管组的中空纤维膜管14的外管径。可利用定型框18对中空纤维膜管14进行辅助排列限位，完成膜管排列。
[0048]
实施例2：
[0049]
基于同样的发明构思，本实施例提供一种集管方法，该方法基于上述实施例1的中空纤维膜管集管装置1而实施，具体包括如下步骤：
[0050]
将升降平台5升至较高的位置，保证升降平台5的台面高于集管条3的上表面，将一组(整盒或者整捆)同规格(同一长度、同一直径、同型号)的中空纤维膜管14以两端对齐、互相平行、彼此紧靠无间隙的状态排列在弹性布管机构9上，将各根中空纤维膜管14的两端对齐，确保各中空纤维膜管14端头的位置差不超过设定值，即垂直于橡皮筋条91拉伸轴线不能出现较大距离偏差，完成膜管排列阶段，如图2所示。
[0051]
具体的，在排列中空纤维膜管14后，可利用定型框18对中空纤维膜管14进行辅助排列限位，定型框18长宽均能调节，调节至恰好容纳一组中空纤维膜管14，提高中空纤维膜管14排列位置精度。排列完毕后，撤去定型框18。
[0052]
启动拉伸装置6，将弹性布管机构9拉伸伸长设定的距离l，以使中空纤维膜管14之间出现均匀的管间距l1，拉伸距离l＝(n-1)*l1，其中n为一组中空纤维膜管14的管数量，在管间距l1给定后，通过上式可计算出拉伸距离l，拉伸完成后将升降平台5下降至操作台的台面以下，具有均匀间隙的集管组稳定落在两条集管条3上，升降平台5下降过程应缓慢，避免集管组落在两条集管条3上时发生滚动。集管组落在两条集管条3上后，相邻中空纤维膜管14之间位置固定，维持管间距l1，完成均匀间隙生成阶段，如图3所示。
[0053]
滴胶装置12对具有均匀间隙的集管组滴胶固定，如图4所示，滴胶装置12顺着滴胶导轨13打胶液，将一定均匀间隙的中空纤维膜管14间隔、有序、两端对称粘贴在彼此平行的两条集管条3上。
[0054]
胶液凝固后最终形成的产品呈联排链状，如图5所示。中空纤维膜管14被两端集管条3间隔、对齐、有序固定，形成膜管链20。通过调整橡皮筋条91的拉伸距离l，可调整膜管排列间距l1，以形成不同间距的产品序列。完成的膜管链20可以根据需求叠加或者卷曲套装，形成膜管增湿器的核心部件。
[0055]
具体的，当膜管增湿器为板式增湿器时，将长度相同的膜管链20叠加然后粘合，中间可添加支撑框架与隔板等辅助，粘合而成。
[0056]
当膜管增湿器为筒式增湿器时，根据各膜管链20展开尺寸，将多个不同长度膜管链20卷曲成圆筒序列，将直径不同的圆筒序列同心套置，中间可添加支撑框架与隔板等辅助，粘合而成。
[0057]
实施例3：
[0058]
基于同样的发明构思，本实施例提供一种膜管增湿器，包括增湿组件，该增湿组件由上述实施例2的集管方法制作得到的膜管链20经过叠加或者卷曲套装制作而成。
[0059]
参见图6，在增湿器工作过程中，湿润尾气a通过膜管外侧26，新鲜干空气b通过膜管内孔25，通过传热传质过程，对新鲜干空气b进行增湿，保证电堆质子交换膜高效运行。
[0060]
通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：
[0061]
本发明提供的中空纤维膜管集管装置，利用弹性布管机构的均匀弹性变形获得均
匀的管间距，对中空纤维膜管进行有序排列，保证膜管之间有足够间隙，有利于湿热尾气均匀流经膜管外侧，减少流动阻力，提高增湿效率。由该膜管链制作的膜管增湿器具有增湿效率高、体积较小的优点，保证燃料电池系统的工作性能和体积功率密度。
[0062]
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
[0063]
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。