垫圈组件及包括其的燃料电池膜加湿器的制作方法

本发明涉及一种垫圈组件和包括该垫圈组件的燃料电池膜加湿器，更具体地说，涉及一种能够以提高的生产率制造并大大降低维护成本的垫圈组件和包括该垫圈组件的燃料电池膜加湿器。

背景技术：

1、燃料电池是通过氢和氧的结合产生电能的发电电池。与诸如干电池或蓄电池等一般化学电池不同，燃料电池的优点是只要供应氢气和氧气，就能够持续发电，而且由于没有热量损失，因此具有内燃机约两倍以上的效率。

2、此外，由于氢气和氧气之间的结合产生的化学能直接转化为电能，因此减少了污染物的排放。因此，燃料电池具有环境友好和能够减少对因能源消耗增加而导致的资源枯竭的担忧的优点。

3、根据使用的电解质的类型，这些燃料电池大致分为例如，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)。

4、这些燃料电池根本上根据相同原理工作，但在所使用的燃料类型、工作温度、催化剂、电解质等方面存在差异。在这些电池中，聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)已知是最有前途的，不仅适用于小型固定发电设备，而且适用于运输系统，这是因为聚合物电解质膜燃料电池在比其它燃料电池低的温度下工作，并且由于高输出密度而可以小型化。

5、改善聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)性能的最重要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来保持水分含量。这是因为当聚合物电解质膜干燥时发电效率迅速降低。

6、用于加湿聚合物电解质膜的方法的示例包括：1)用水填充耐压容器然后使目标气体穿过扩散器(diffuser)以供应水分的起泡(bubbler)加湿方式；2)用于计算燃料电池反应所需的水分供应量并通过电磁阀向气体流动管直接供应水分的直接注入方式；以及3)使用聚合物分离膜向流化气体层供应水分的加湿膜方式。

7、在这些方式中，通过使用仅选择性地透过包含在废气中的水蒸气的膜向供应至聚合物电解质膜的空气提供水蒸气来加湿聚合物电解质膜的膜加湿方式的优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。

8、膜加湿方式中使用的选择性渗透膜优选是在形成模块时每单位体积具有大的渗透面积的中空纤维膜。也就是说，当使用中空纤维膜制造加湿器时，具有以下优点：接触表面积大的中空纤维膜的高度集成是可能的，因此即使是小容量的也可以充分加湿燃料电池，可以使用低成本材料，并且可以通过加湿器回收并再利用从燃料电池以高温排出的废气中所包含的水分和热量。

9、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。如图1所示，相关技术的燃料电池膜加湿器10包括加湿模块11以及结合至加湿模块11的两端的盖12，在该加湿模块11中，在从外部提供的空气与从燃料电池堆(未图示)排出的废气之间进行水分交换。

10、其中一个盖12向加湿模块11供应从外部供应的空气，另一个盖向燃料电池堆供应通过加湿模块11加湿的空气。

11、加湿模块11包括具有废气入口11aa和废气出口11ab的中间壳体11a以及位于中间壳体11a内的多个中空纤维膜11b。中空纤维膜11b的束的两端固定到灌封部11c。灌封部11c通常通过浇铸(casting)方式使诸如液体聚氨酯树脂的液体聚合物固化来形成。

12、从外部供应的空气沿着中空纤维膜11b的中空部流动。通过废气入口11aa流入中间壳体11a中的废气与中空纤维膜11b的外表面接触，然后通过废气出口11ab从中间壳体11a排出。当废气与中空纤维膜11b的外表面接触时，废气中包含的水分透过中空纤维膜11b中，以加湿沿着中空纤维膜11b的中空部流动的气体。

13、盖12的内部空间仅与中空纤维膜11b的中空部进行流体连通，并且应当与中间壳体11a的内部空间完全阻隔。否则，由于压力差而发生空气泄漏，供应到燃料电池堆的加湿空气的量减少，并且燃料电池的发电效率降低。

14、通常，如图1所示，多个中空纤维膜11b的端部被固定于的灌封部11c、以及灌封部11c与中间壳体11a之间的树脂层11d阻隔盖12的内部空间和中间壳体11a的内部空间。与灌封部11c类似，树脂层11d通常通过浇铸方式使液态聚合物(例如液态聚氨酯树脂)固化而形成。

15、然而，由于形成树脂层11d的浇铸工序需要相对较长的工序时间，因此膜加湿器10的生产率降低。

16、此外，由于树脂层11d粘附到中间壳体11a的内壁以及灌封部11c，当中空纤维膜11b发生问题时，需要更换整个加湿模块11，这产生了巨大的维护成本。

17、此外，燃料电池的重复工作极易导致树脂层11d与中间壳体11a之间的间隙。也就是说，随着燃料电池的工作和停止反复，交替发生树脂层11d的膨胀和收缩，中间壳体11a与树脂层11d之间的热膨胀系数之差极易导致树脂层11d脱离中间壳体11a。如上所述，当树脂层11d与中间壳体11a之间产生间隙时，由于压力差而发生气体泄露，供给到燃料电池堆的加湿空气量减少，燃料电池的发电效率降低。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的目的是提供一种垫圈组件以及包括该垫圈组件的燃料电池膜加湿器，该垫圈组件能够防止上述相关技术的局限和缺点引起的问题，以提高的生产率制造，并显著降低维护成本。

3、技术方案

4、根据本发明实施例的垫圈组件是一种用于燃料电池膜加湿器的垫圈组件，包括：中间壳体；盖，所述盖紧固到所述中间壳体上；以及至少一个盒，所述至少一个盒设置在所述中间壳体内并容纳多个中空纤维膜，所述垫圈组件包括：子壳体，所述子壳体形成为包围所述盒的端部的形状并且包括供所述盒的端部插入的第一孔；以及垫圈，所述垫圈包括主体构件，所述主体构件具有供所述子壳体插入的第二孔，所述垫圈包括封装部(packingportion)，所述封装部包括突出构件，所述突出构件形成在所述主体构件的一端并与插入第二孔中的子壳体的外周面接触以防止中间壳体中的流体朝向盖流动，所述垫圈包括边缘部，所述边缘部形成在主体构件的另一端并形成在由中间壳体的端部处形成的凹槽和盖的端部形成的空间中。

5、在根据本发明实施例的垫圈组件中，可以将粘合剂涂布到子壳体的内周面上，使得子壳体结合至盒的端部。

6、在根据本发明实施例的垫圈组件中，子壳体可以由硬度比构成灌封部的材料高的材料形成。

7、在根据本发明实施例的垫圈组件中，主体构件可以包括形成为向下突出的下部主体构件以及朝向盖形成为平面形状的上部主体构件。

8、在根据本发明实施例的垫圈组件中，主体构件可以包括两个或更多第二孔，两个或更多子壳体能够插入所述两个或更多第二孔中，并且两个或更多突出构件可以被包括并形成为与所述两个或更多子壳体的外周面接触。

9、在根据本发明实施例的垫圈组件中，突出构件可以由于弹性力而按压并接触子壳体的外周面，以使中间壳体侧的空间和盖侧的空间是气密的。

10、在根据本发明实施例的垫圈组件中，边缘部可以包括向两个方向突出的边缘翼，所述边缘翼可以在填充形成在中间壳体的端部处的凹槽的同时被插设，以密封中间壳体的内部和外部、中间壳体和盖。

11、在根据本发明的实施例的垫圈组件中，封装部和边缘部中的每一个可以具有20至70邵氏a(shore a)的第一硬度，并且垫圈组件可以进一步包括形成为插入封装部的至少一部分和边缘部的至少一部分中的加强构件，所述加强构件具有比第一硬度高的第二硬度。

12、根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器包括：中间壳体；盖，所述盖紧固到中间壳体上；至少一个盒，所述至少一个盒设置在中间壳体内部并容纳多个中空纤维膜；以及垫圈组件，所述垫圈组件通过机械组装与加湿模块的至少一端气密结合，使得盖能够仅与中空纤维膜进行流体连通。垫圈组件包括：子壳体，所述子壳体形成为包围盒的端部的形状，所述子壳体包括供盒的端部插入的第一孔；垫圈，所述垫圈包括主体构件，所述主体构件具有供子壳体插入的第二孔，所述垫圈包括封装部，所述封装部包括突出构件，所述突出构件形成于主体构件的一端并与插入第二孔中的子壳体的外周面接触，以防止中间壳体中的流体朝向盖流动，所述垫圈包括边缘部，所述边缘部形成于主体构件的另一端并形成于由中间壳体的端部处形成的凹槽和盖的端部形成的空间中。

13、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，可以将粘合剂涂布到子壳体的内周面上，使得子壳体结合到盒的端部。

14、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，子壳体可以由硬度比构成灌封部的材料高的材料形成。

15、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，主体构件可以包括形成为向下突出的下部主体构件以及朝向盖形成为平面形状的上部主体构件。

16、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，主体构件可以包括两个或更多第二孔，两个或更多个子壳体能够插入所述两个或更多第二孔，并且两个或更多突出构件可以被包括并形成为与两个或更多子壳体的外周面接触。

17、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，突出构件可以由于弹性力而按压并接触子壳体的外周面，以使中间壳体侧的空间和盖侧的空间是气密的。

18、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，边缘部可以包括向两个方向突出的边缘翼，所述边缘翼可以在填充形成在中间壳体的端部处的凹槽的同时被插设，以密封中间壳体的内部和外部、中间壳体和盖。

19、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，封装部和边缘部中的每一个可以具有20至70邵氏a的第一硬度，并且燃料电池膜加湿器可以进一步包括形成为插入封装部的至少一部分和边缘部的至少一部分中的加强构件，所述加强构件具有比第一硬度高的第二硬度。

20、在根据本发明的实施例的燃料电池膜加湿器中，所述盒可以包括：内壳体，所述内壳体具有在所述内壳体的端部处形成的开口并容纳多个中空纤维膜；以及灌封部，多个中空纤维膜的端部固定到灌封部上，灌封部封闭内壳体的开口。

21、在根据本发明实施例的燃料电池膜加湿器中，灌封部的至少一部分可以位于内壳体外并暴露，子壳体可以结合至暴露的灌封部。

22、根据本发明各方面的实施例的其他具体事项包括在下面的详细描述中。

23、有益效果

24、根据本发明，由于通过垫圈组件的机械组装防止中间壳体与盖之间的空气泄漏，因此可以省略例如相关技术中的浇铸工序(即，将液态聚合物注入模具并使液态聚合物固化的工序)和额外的密封工序(即，涂布和固化密封剂的工序)。因此，根据本发明，可以防止中间壳体和盖之间的空气泄漏的同时缩短燃料电池膜加湿器的生产工序时间，从而显著提高生产率。

25、此外，本发明的用于防止中间壳体与盖之间的空气泄露的垫圈组件通过机械组装安装在加湿模块上，因此，当加湿模块的特定部分发生异常时，可以简单地以机械方式分离垫圈组件，然后仅修复或更换该部分。因此，根据本发明，可以大大降低燃料电池膜加湿器的维护成本。

26、此外，由于子壳体防止突出构件与灌封部直接接触，因此可以防止突出构件由于垫圈组件的压缩力而使灌封部变形并损坏。