[发明专利]制造燃料电池用膜组件的方法和装置及由此制造的膜组件

说明书

技术领域

本发明涉及制造燃料电池用膜组件的方法和装置。更具体地，本发明涉及制造适用于膜增湿器中的膜组件的方法和装置，该膜增湿器使聚合物燃料电池中的空气增湿。

背景技术

聚合物燃料电池的运行通常需要水。使供应至燃料电池的空气增湿的膜增湿器通常用于该目的。

尽管存在各种类型的膜增湿器，例如起泡式（bubbler）增湿器、注射式增湿器、吸收式增湿器等，但因燃料电池车辆中的一些空间限制，在燃料电池车辆中使用具有相对小体积的膜增湿器。除了几乎不占空间之外，膜增湿器还因为它们不需要特殊动力而特别地有优势。

如图1所示，用于燃料电池的膜增湿器通常包括膜组件10、外壳11、和歧管12。

膜集中在膜组件10中，并且，例如多束中空纤维膜可以集中在膜组件10中。

通常通过以下工艺制造膜组件。

如图2所示，在制造壳体13之后，将灌封帽（potting cap）14覆盖在壳体13的一侧，并且将期望数目束的中空纤维膜15置于壳体13中。

然后，将聚合物材料16注入到壳体13的两端中，以将多束中空纤维膜固定在壳体13中。

该工艺称作灌封工艺。

在灌封工艺中，主要使用氨基甲酸酯材料作为聚合物材料。

灌封工艺利用重力固定该多束膜15，使得经由树脂孔注射到壳体中的聚合物材料16通过重力透过膜。

在灌封工艺之后，将聚合物材料干燥，并且使用切割装置切割灌封部分，从而获得期望的膜组件。

最终，在将外壳11置于膜组件10的两侧时，用于燃料电池的膜增湿器的制造得以完成。

典型的现有技术增湿器是一个大组件，其中收纳有多束中空纤维膜。

然而，使用这种增湿器，由于多束中空纤维膜收容在一个大的组件中，在制造组件的过程中，中空纤维膜分布不均匀，而是集中在一侧（参见图3）。

图4是显示典型的膜增湿器的构造的示意图。

如图4所示，膜增湿器具有外壳11，该外壳11设置有用于引入干燥空气的第一进口17和用于排出湿化空气的第一出口18，并且膜组件10布置在外壳11中。

而且，在膜组件10中容纳有多个中空纤维膜15。

在使用中空纤维膜的膜增湿器中，湿空气从第二进口19供应并通过各个中空纤维膜15的外部。然后，湿空气中的水分通过中空纤维膜15的毛细管作用分离，并且分离的水分通过中空纤维膜15的毛细管并且凝结。然后水分移动到中空纤维膜15的内部。

水分从其中分离的湿空气移动到中空纤维膜15的外部，然后经由第二出口20排出。

同时，从第一进口17供应的干空气移动通过中空纤维膜15的内部。

从湿空气中分离的水分移动到中空纤维膜15的内部以使干空气增湿，并且湿化的空气经由第一出口18排出至燃料电池组。

在现有技术膜增湿器的情况中，湿空气经由第二进口19引入到外壳11中，以向中空纤维膜15供应水分，之后其经由第二出口20排出。

然而，经由第二进口19引入的湿空气难以透过其中集中有多个中空纤维膜15的膜组件。

而且，使用这种膜增湿器，湿空气以非常低的速度扩散，其带来进一步的困难。

因为这些原因，通过膜组件10外部的湿空气不能渗透布置在外壳11中的膜组件的内部，而是主要沿着边缘流动。

而且，使用这种膜增湿器，湿空气以非常低的速度扩散到膜组件10的内部中，其显著地降低增湿效率。

因而，膜组件的内部不能得到足够的水分，并且膜增湿器的整体效率降低。

而且，在现有技术膜增湿器的情况中，经由第一进口17引入的大部分干空气主要经由膜组件10的中心流动，因此膜增湿器的整体效率进一步降低。

这由图5中的模拟结果得以显示。

参考图5，可以清楚地看出，经由第一进口17引入的大部分干燥空气仅流经膜组件的中心。

也就是说，经由第一进口17引入的干空气主要流经膜组件的中心（如沿着该图底部移动的流动所示）。而且，经由第二进口19引入的湿空气主要沿着膜组件的边缘流动。结果，膜增湿器的效率显著降低。

由聚合物材料制成的中空纤维膜占了大部分的制造成本。然而，如上所述，由于现有技术膜增湿器具有较低的增湿效率，为提高增湿性能而使用过量束的中空纤维膜。结果，膜增湿器的价格进一步增加。此外，由于需要许多束的中空纤维膜来充分地增加增湿性能，膜增湿器的大小同样增加，其在将膜增湿器安装到燃料电池车辆的有限空间内时引起很多困难。