燃料电池膜加湿器的制作方法

本发明涉及一种燃料电池膜加湿器，更具体地，涉及一种能够防止加湿效率由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差而降低的燃料电池膜加湿器。

背景技术：

1、燃料电池是通过氢气与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，就能够连续地产生电力，并且由于没有热损失而具有约为内燃机的两倍高的效率。

2、另外，由于通过氢气与氧气之间的结合产生的化学能被直接转化为电能，所以污染物的排放减少。因此，燃料电池具有环境友好的并且能够减少因能源消耗增加而导致资源枯竭的担忧的优势。

3、根据使用的电解质的类型，这类燃料电池可以大致被划分为，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)。

4、这些燃料电池基本上根据相同的原理工作，但是在使用的燃料的种类、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，因此被认为是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。

5、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模块(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，当聚合物电解质膜干燥时，发电效率骤然降低。

6、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，用于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)直接喷射法，用于计算燃料电池反应所需要的水分供应量，并且通过电磁阀直接向气流管道供应水分；和3)加湿膜法，用于利用聚合物分离膜向流化气体供应水分。

7、在这些方法中，通过使用仅选择性地渗透废气中包含的水蒸气的膜，向供应至聚合物电解质膜的气体提供水蒸气，以加湿聚合物电解质膜的加湿膜法的优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。

8、在加湿膜法中使用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膜加湿器时，具有以下优点：中空纤维膜与大接触表面积的高度集成是可能的，使得即使具有小容量也可以充分地加湿燃料电池，可以使用低成本的材料，并且从燃料电池以高温排出的未反应的气体中包含的水分和热量可以通过加湿器回收并且重新利用。

9、同时，当膜加湿器运行时，存在加湿效率由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差而降低的问题。这将参照图1、图2和图3进行描述。

10、图1、图2和图3是根据相关技术的燃料电池膜加湿器的剖视图。为了便于描述，附图中仅示出了在灌封部p的一部分中的中空纤维膜，并且省略了其它部分的中空纤维膜的图示。在相关技术的膜加湿器中，其中容纳了多个中空纤维膜的中空纤维膜模块11容纳在中间壳体10的内部。如图所示，中空纤维膜模块11可以形成为筒体的形式。模块插入部12形成在中间壳体10的内部，中空纤维膜模块11以筒体的形式插入模块插入部12。模块插入部12由多个形成在中间壳体10内部的分隔壁12a和分隔壁12b形成。此处，形成模块插入部12的分隔壁12b基本上是中间壳体10的内壁的一部分。

11、如图2中所示，通过将中空纤维膜模块11的两侧放入分隔壁12a和分隔壁12b中，将中空纤维膜模块11插入模块插入部12中。在此情况中，中间壳体10包括中央部分凹进的中央凹部10a，并且中央凹部10a的内壁与中空纤维膜模块11彼此紧密地粘附。因此，由中间壳体10的非凹部10b形成的两个流体流动空间a和b与中空纤维膜模块11是彼此隔开的。中央凹部10a和形成模块插入部12的外壳的分隔壁12b基本上是一样的。

12、同时，从燃料电池堆(未示出)排出的第二流体通过形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部，并且流过中空纤维膜模块11与从鼓风机供应的并且流入中空纤维膜内部的第一流体进行水分交换。封盖壳体20接合至中间壳体10，在封盖壳体20中形成有第一流体通过其流入/流出内部的流体入口20a。

13、然而，在高压操作条件的情况中，即，当从形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部的第二流体是具有比膜加湿器外部的大气更高的压力的高压流体时，在膜加湿器的内部与外部之间出现压力差，并且流入膜加湿器内部的第二流体的压力比外部大气压力高，因此，朝向膜加湿器的外部形成了压力梯度，并且膜加湿器的一部分(具体地，中间壳体的凹部)沿膜加湿器外部的方向变形，如图3中所示。另一方面，由于内部分隔12a在分隔的两侧具有相同的压力，因此没有形成压力梯度并且不会发生变形。

14、由于压力梯度使中间壳体10的形状变化，在中空纤维膜模块11与中间壳体10的内壁之间产生了间隙，流体流动空间a中的第二流体通过该间隙流入流体流动空间b而不是流经中空纤维膜模块11。没有流经中空纤维膜模块11的第二流体是还未通过中空纤维膜被加湿的流体，这导致加湿效率降低的问题。

15、图4是示出了根据相关技术的另一燃料电池膜加湿器(见韩国未审查专利公开no.2019-0138288)的图，用于解决图1中所示的相关技术的燃料电池膜加湿器的问题。

16、如图4中所示，在相关技术的另一燃料电池膜加湿器中，模块插入部12和压力缓冲部22形成在中间壳体10的内部。压力缓冲部22包括：由彼此间隔开的外分隔壁12b和中间壳体10形成的空间，和连接部21，该连接部形成在外分隔壁12b与中间壳体10之间。连接部21将流体流动空间a与流体流动空间b隔离，使得通过流体通道20a流入内部的流体仅流经中空纤维膜筒体c。

17、如上所述配置的压力缓冲部22使外分隔壁12b的两侧上的压力基本上相同。由于压力缓冲部22的存在，在外分隔壁12b的两侧上没有形成压力梯度，因此外分隔壁12b没有变形。因此，不同于图1中所示的燃料电池膜加湿器，在中空纤维膜筒体c与外分隔壁12b之间没有产生间隙，从而可以防止流体流动空间a中的流体流经流体流动空间b而不是流经中空纤维膜模块，因此，可以防止加湿效率降低。

18、同时，在根据如图4中所示的相关技术的燃料电池膜加湿器中，当由于燃料电池的高输出情况或异常的输出情况，从形成在中间壳体10中的流体入口(未示出)流入内部的第二流体的压力(内部压力p1)远高于膜加湿器外部的大气压力(外部压力p2)(p1＞＞p2)时，中间壳体10可能会接收到向外的压力并且由于压力差而向外膨胀(由e1指示)，如图5a和图5b中所示。在此情况中，由于外分隔壁12b连接至连接部21，因此外分隔壁12b也可能向外膨胀(由e2指示)。当外分隔壁12b向外膨胀时，在中空纤维膜筒体c与外分隔壁12b之间可能产生间隙。因此，产生不流经中空纤维膜模块11的第二流体，这导致加湿效率降低的问题。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明的一个目的是提供一种够防止加湿效率由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差而降低的燃料电池膜加湿器。

3、技术方案

4、根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器，包括：

5、中间壳体，所述中间壳体具有形成在其中的模块插入部，所述模块插入部包括形成为与中间壳体的内壁间隔开的外分隔壁，第二流体入口，通过其供应第二流体，和第二流体出口，通过其排出第二流体；封盖壳体，所述封盖壳体接合至所述中间壳体并且具有第一流体入口，通过其第一流体流入内部，和第一流体出口，通过其排出第一流体；插入所述模块插入部中的中空纤维膜模块，所述中空纤维膜模块包括至少一个中空纤维膜束，所述中空纤维膜束具有多个集成在其中的中空纤维膜，或至少一个中空纤维膜筒体，所述中空纤维膜筒体具有多个容纳在其中的中空纤维膜；和主动压力缓冲部(active pressurebuffer portion)，所述主动压力缓冲部形成在所述中间壳体与所述模块插入部之间，以根据燃料电池的输出情况，防止所述模块插入部由于所述中间壳体的内部与外部之间的压力差而膨胀，或者消除压力差。

6、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述主动压力缓冲部可以包括旁路结构，所述旁路结构形成在所述外分隔壁与所述中间壳体的所述内壁之间。

7、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述旁路结构可以包括：连接构件，所述连接构件形成为固定至所述外分隔壁，沿所述中间壳体方向突起，并且与所述中间壳体的所述内壁间隔开；和阻挡构件，所述阻挡构件形成在所述中间壳体的所述内壁上，沿所述外分隔壁的方向突起，并且以滑动的方式接合至所述连接构件。

8、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，所述阻挡构件可以包括旁路孔，所述旁路孔能够根据所述外分隔壁和所述中间壳体之间的膨胀压力的大小被打开或关闭。

9、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，当所述膨胀压力逐渐地增加时，所述阻挡构件可以与所述中间壳体一起向外膨胀，并且所述旁路孔被打开。

10、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，沿所述阻挡构件的方向突起的第一滑动突出形成在所述中间壳体侧的所述连接构件的一端。

11、在根据本发明的实施方案的燃料电池膜加湿器中，沿所述连接构件的方向突起的第二滑动突出形成在所述外分隔壁侧上的所述阻挡构件的一端。

12、根据本发明的各个方面的实施例的其它具体事项包括在下面的详细描述中。

13、有益效果

14、根据本发明的实施方案，可以防止加湿效率由于膜加湿器的内部与外部之间的压力差而降低。此外，即使在燃料电池的高输出情况或异常输出情况下，也可以防止在中空纤维膜筒体与外分隔之间产生间隙，或者消除压力差，从而防止加湿效率降低。