用于燃料电池的膜加湿器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的膜加湿器，更具体地，涉及一种能够在加湿过程中去除诸如氮氧化物(NO

背景技术

燃料电池是将氢和氧结合来发电的发电电池。这种燃料电池的优点在于，不同于诸如干电池、蓄电池等的普通化学电池，只要供应氢和氧，其就可以连续地发电，并且其优点还在于没有热损失，由此燃料电池的效率是内燃机效率的约两倍。

另外，燃料电池将由氢和氧的结合产生的化学能直接转换成电能，由此，污染物的排出量小。因此，燃料电池的优点在于，燃料电池是环境友好的，并且可以减少由于能源消耗的增加引起的资源枯竭的担忧。

基于所使用的电解质的种类，燃料电池通常可以分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC：polymer electrolyte membrane fuel cell)、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)或碱性燃料电池(AFC)。

这些燃料电池基本上以相同的原理工作，但是在所使用的燃料的种类、工作温度、催化剂和电解质方面彼此不同。在这些燃料电池中，由于聚合物电解质膜燃料电池在比其他燃料电池更低的温度下工作并且聚合物电解质膜燃料电池的输出密度高，由此可以使聚合物电解质膜燃料电池小型化，因此聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)已知是对运输系统以及小型固定发电设备最有利的。

改善聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的性能的最重要因素之一是将规定量或更多的水分供应给聚合物电解质膜或膜电极组件(MEA)的质子交换膜(PEM)以保持水分含量。其原因在于，在聚合物电解质膜或质子交换膜干燥的情况下，发电效率急剧降低。

作为加湿聚合物电解质膜或质子交换膜的方法，使用1)向耐压容器填充水并使目标气体穿过扩散器以供应水分的鼓泡机加湿方法，2)计算燃料电池反应所需的要供给的水分量并通过电磁阀将水分直接供应到气流管道的直接注入方法，以及3)使用聚合物分离膜将水分供应到气体流化床的膜加湿方法。

在这些方法中，通过被配置成仅选择性地透过废气中包含的水蒸气的膜将水蒸气提供给被供应到聚合物电解质膜或质子交换膜的气体从而加湿聚合物电解质膜或质子交换膜的膜加湿方法的优点在于，可以减小加湿器的重量和尺寸。

在形成有组件的情况下，具有每单位体积的透过面积大的中空纤维膜适合于在膜加湿方法中使用的选择性透过膜。即，在使用中空纤维膜制造膜加湿器的情况下，可以使接触表面积大的中空纤维膜高度一体化，由此，即使在小容量的情况下也可以充分地加湿燃料电池，可以使用廉价的材料，并且可以收集在高温下从燃料电池排出的废气中包含的水分和热量，并且可以通过加湿器重新利用收集的水分和热量。

在用于燃料电池的传统膜加湿器中，中空纤维膜被容纳在外壳单元中，并且中空纤维膜通过灌封部固定到外壳单元的内壁。一定数量的中空纤维膜根据电池堆的期望输出被容纳在外壳单元中，并且通过灌封部被固定到外壳单元。来自鼓风机的高温空气和来自电池堆的高温高湿空气被引入到用于燃料电池的膜加湿器中。

在燃料电池系统中，当由压缩机或鼓风机产生的高温空气通过加湿器被引入到电池堆中时，包含在空气中的诸如氮氧化物(NO

[相关专利文献]

1.韩国专利申请公开第10-2009-0013304号

2.韩国专利申请公开第10-2009-0057773号

3.韩国专利申请公开第10-2009-0128005号

4.韩国专利申请公开第10-2000-0108092号

5.韩国专利申请公开第10-2000-0131631号

6.韩国专利申请公开第10-2001-0001022号

7.韩国专利申请公开第10-2001-0006122号

8.韩国专利申请公开第10-2001-0006128号

9.韩国专利申请公开第10-2001-0021217号

10.韩国专利申请公开第10-2001-0026696号

11.韩国专利申请公开第10-2001-0063366号

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种用于燃料电池的膜加湿器，其能够在加湿过程中去除诸如氮氧化物(NO

技术方案

用于实现上述目的根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器包括：外壳单元，所述外壳单元包括用于引入第一流体的第一流体入口、用于排出第一流体的第一流体出口、用于引入第二流体的第二流体入口以及用于排出第二流体的第二流体出口，经由第一流体入口引入的第一流体的湿度不同于经由第二流体入口引入的第二流体的湿度；安装在外壳单元中的至少一个第一盒，第一盒中具有多个中空纤维膜；以及设置在第一盒中或设置在外壳单元的内周面与第一盒之间的气体过滤器，所述气体过滤器被配置为捕获在第一流体和第二流体中的至少一个中包含的有害气体，气体过滤器具有与中空纤维膜不同的形状，有害气体包括氮氧化物(NO

膜加湿器可以进一步包括安装在外壳单元中的至少一个第二盒，其中第二盒可以仅填充有气体过滤器。

气体过滤器可以与中空纤维膜一起布置在第一盒中。

气体过滤器可以包括无纺布和涂覆在无纺布上的气体捕获材料。

气体过滤器可以包括纱线和涂覆在纱线上的气体捕获材料。

膜加湿器可以包括多个第一盒，并且气体过滤器可以以将第一盒一起包围的方式安装在外壳单元中。

气体过滤器可以以包围多个中空纤维膜的方式安装在第一盒的内周面或外周面上方。

气体过滤器可以包括无纺布和涂覆在无纺布上的气体捕获材料。

气体捕获材料可以是选自由生物炭、木炭、活性炭、酸性聚合物、沸石、铂、硫酸铜和硫酸钛的混合物、铌(Nb)、碳酸氢钠和其中两种以上的混合物组成的组中的任一种。

酸性聚合物可以是选自由聚全氟磺酸(PFSA)、磺化聚醚砜(S-PES)、磺化聚芳醚砜(S-PAES)、磺化聚苯乙烯(S-PS)、磺化聚醚酮(S-PEK)、磺化聚醚醚酮(S-PEEK)和其中的两种以上的混合物组成的组中的任一种。

气体过滤器可以以这样的方式安装在外壳单元中：经由第一流体入口引入的第一流体在被引入到中空纤维膜的内腔之前通过气体过滤器。

外壳单元可以包括安装有第一盒的中间壳体以及耦接到中间壳体的相对侧的一对盖壳体，第二流体入口和第二流体出口形成在中间壳体中，第一流体入口和第一流体出口形成在盖壳体中，并且气体过滤器可以可分离地安装在具有第一流体入口的盖壳体与中间壳体之间。

气体过滤器可以包括过滤器部和框架部，框架部以包围过滤器部的方式耦接到过滤器部，并且过滤器部可以包括无纺布和涂覆在无纺布上的气体捕获材料。

有益效果

上述根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器能够在加湿过程中去除诸如氮氧化物(NO

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解透视图。

图2是根据本发明的第一实施例的膜加湿器的剖视图。

图3是与气体过滤器的类型相关的实施例的剖视图。

图4是根据本发明的第二实施例的膜加湿器的剖视图。

图5是根据本发明的第三实施例的膜加湿器的剖视图。

图6是安装在膜加湿器的中间壳体中的气体过滤器的结构的示意图。

图7是根据本发明的第四实施例的膜加湿器的剖视图。

图8是示出气体过滤器安装在膜加湿器的盒的内侧或外侧的结构的示意图。

图9是根据本发明的第五实施例的膜加湿器的剖视图。

图10是示出安装在膜加湿器的中间壳体与盖壳体之间的气体过滤器的结构的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器的分解透视图，图2是示出根据本发明的第一实施例的膜加湿器的剖视图，图3是示出与气体过滤器的类型有关的实施例的剖视图。

根据本发明的实施例的用于燃料电池的膜加湿器包括外壳单元和安装在外壳单元中的多个盒150。盒150中的至少一个是在其中具有多个中空纤维膜160的第一盒。中间壳体110和盖壳体120可以彼此耦接以形成外壳单元，或者外壳单元可以形成为一个整体。

中间壳体110在其相对侧耦接到一对盖壳体120以限定膜加湿器的外观。中间壳体110和盖壳体120中的每一个可以由硬塑料(例如聚碳酸酯)或金属制成。中间壳体110和盖壳体120中的每一者的横截面形状可以是如图1所示的多边形，或者其横截面形状可以是圆形。多边形可以是矩形、正方形、梯形、平行四边形、五边形、六边形等，并且多边形的角部可以圆角化。此外，圆形可以是椭圆形。

中间壳体110设置有第二流体入口112和第二流体出口113，第二流体经由第二流体入口112被引入，第二流体经由第二流体出口113排出。

与中间壳体110的相对两端耦接的盖壳体120中的一个具有第一流体入口121，另一个盖壳体120具有第一流体出口122。经由第一流体入口121引入到外壳单元中的第一流体穿过在第一盒150中容纳的每个中空纤维膜160的内部管道，然后经由第一流体出口122排出。第一流体入口121和第一流体出口122可以彼此切换，使得第一流体沿相反的方向流动。

每个中空纤维膜160可以是由例如Nafion、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)、聚苯砜、聚砜(PS)或聚醚砜(PES)制成的中空纤维膜。

被配置为使经由第二流体入口112被引入到膜加湿器中的第二流体能被引入到第一盒150中的网格部152可以形成在第一盒150的一侧，并且被配置为使在中空纤维膜盒150中已经进行了水分交换的第二流体能从第一盒150中排出的网格部152可以在第一盒150的另一侧。

第一盒150在其相对两端设置有灌封部，该灌封部被配置为将中空纤维膜160接合并填充中空纤维膜160之间的间隙。以这种方式，第一盒150的相对两端分别被灌封部阻塞，由此在其中限定被配置为容许第二流体流经其中的流动通道。每个灌封部由已知材料制成，这里将省略对其的详细描述。

中间壳体110具有第二流体入口112和第二流体出口113。

第一流体可以是低湿度流体(例如，由鼓风机供应的外部空气)，第二流体可以是高湿度流体(例如，从燃料电池堆中排出的高湿度废气)。或者，第二流体可以是低湿度的外部空气，第一流体可以是高湿度的废气。

可以在中间壳体110中形成被配置为容许多个盒150安装在其中的多个插入端口140，并且每个盒150可以插入到插入端口140中的相应的一个插入端口中。

在本发明中，被配置成捕获在第一流体和第二流体中的至少一个中包含的有害气体并且具有与中空纤维膜160不同的形状的气体过滤器设置在第一盒150中或者外壳单元的内周面与第一盒150之间。有害气体包括氮氧化物(NO

在燃料电池系统中，从压缩机或鼓风机供应的高温空气经由加湿器被引入到电池堆中。如果在空气中包含的有害物质，例如(i)诸如一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO

在本发明的第一实施例中，如图2所示，多个盒150可以包括在其中具有多个中空纤维膜160的至少一个第一盒以及仅填充有气体过滤器的至少一个第二盒。

在图2中，示出了这样的实施例：中空纤维膜160设置在安装于中间壳体110中的三个盒150中的两个第一盒中，并且多个过滤器构件210设置在一个第二盒中。然而，如果四个以上的盒150安装在中间壳体110中，则过滤器构件210可以被容纳在两个以上的盒150中。

在根据第一实施例的膜加湿器100中，低湿度空气经由第二流体入口112被引入到外壳单元中。低湿度空气的一部分穿过在其中具有过滤器构件210的第二盒140从而捕获并过滤有害气体。当通过在其中具有中空纤维膜160的第一盒150时，空气的另一部分与第一流体(即高湿度废气)交换水分并且被加湿。由于通过各个盒150而产生的过滤空气和加湿空气被聚集在一起并通过第二流体出口113排出以被供应到燃料电池堆。

图3示出了两种类型的气体过滤器。图3的(a)所示的气体过滤器包括无纺布213和涂覆在无纺布213上的气体捕获材料211。无纺布213不是通过将纤维编织而是通过经由机械、化学或热处理将它们结合成布的形式而形成的。无纺布也称为粘合布。无纺布213具有片材或膜的形式并且用作用于固定气体捕获材料211的基材。

可以通过将气体捕获材料211溶解或分散在液相中，将其施加到无纺布213上并对其进行干燥来制造气体过滤器，或者可以通过在无纺布213上喷射粉末类型的气体捕获材料211来制造气体过滤器。具体地，更优选地，将气体捕获材料211涂覆在无纺布213上，然后用另一无纺布213覆盖气体捕获材料211。这样做的原因是这种结构可以防止气体捕获材料211的损失。

通过将气体捕获材料211涂覆在无纺布213上而形成的过滤器构件210可以被切割成等于或小于中空纤维膜160的长度的长度和规定宽度，并且可以被设置并且被灌封以便固定在第一和/或第二盒150中。

图3的(b)所示的气体过滤器包括纱线214和涂覆在纱线214上的气体捕获材料212。纱线214可以是由选自由聚偏二氟乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯纤维、聚烯烃、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和玻璃纤维组成的组中的至少一种形成的单丝和复丝，或者是包括单丝和复丝这两者的线。

气体捕获材料212可以是与图3的(a)的气体捕获材料211相同的类型。可以通过将液体类型的气体捕获材料212施加到具有圆形截面的纱线214的外周面然后将其干燥来制造图3的(b)的气体过滤器。

气体捕获材料211和212可以是选自由生物炭、木炭、活性炭、酸性聚合物、沸石、铂、硫酸铜和硫酸钛的混合物、铌(Nb)、碳酸氢钠以及其中的两种以上的混合物组成的组中的任一种。

酸性聚合物可以是选自由聚全氟磺酸(poly(perfluorosulfonic acid))(PFSA)、磺化聚醚砜(S-PES)、磺化聚芳醚砜(S-PAES)、磺化聚苯乙烯(S-PS)、磺化聚醚酮(S-PEK)、磺化聚醚醚酮(S-PEEK)及其中的两种以上的混合物组成的组中的任一种。

图4是根据本发明的第二实施例的膜加湿器的剖视图。

在根据第二实施例的膜加湿器中，气体过滤器的过滤器构件220可以与多个中空纤维膜160一起布置在第一盒150中。

过滤器构件220可以是通过将气体捕获材料211涂覆在无纺布213上形成的类型或通过将气体捕获材料212涂覆在纱线214的外周面上形成的类型，如图3所示。

在图4的实施例中，多个中空纤维膜160和多个过滤器构件220一起布置在三个第一盒150中的每一个中，使得过滤器构件分别插设于中空纤维膜之间然后被灌封在一起。

低湿度空气经由第二流体入口112被引入到外壳单元中，然后(i)在沿着中空纤维膜160的内腔流动的同时被加湿，或(ii)在通过过滤器构件220的同时被过滤。加湿或过滤后的空气从各个盒150中出来，然后经由第二流体出口113排出，以供应到燃料电池堆。

图5是根据本发明的第三实施例的膜加湿器的剖视图，图6是安装在膜加湿器的中间壳体中的气体过滤器的结构的示意图。

根据第三实施例的膜加湿器100包括多个第一盒150，每个第一盒在其中具有多个中空纤维膜160，并且气体过滤器的过滤器构件230以将第一盒150一起包围的方式安装在外壳单元中。

在第三实施例中，由于过滤器构件230必须具有能够同时包围多个第一盒150的形状，所以其可以通过在无纺布上涂覆气体捕获材料来形成。

气体捕获材料可以是与上述相同的材料，并且优选地，气体过滤器230具有将气体捕获材料插设在无纺布之间的夹持结构。

优选地，过滤器构件230安装在具有多边形或圆形管形状的过滤器框架的外周面上。在图6的实施例中，过滤器框架可以包括：限定四边形管的外周面的一对主框架部235，主框架部设置在中空纤维膜的相对两端；以及被配置为将一对主框架部235相互连接的多个连接框架部232。

过滤器固定凹部236可以形成在彼此面对的一对主框架部235的内侧中的每一个中，由此过滤器构件230的边缘可以插入并固定到过滤器固定凹部236。

此外，密封构件238优选地设置在主框架部235的外周部上。密封构件238可以由诸如橡胶的弹性材料制成，并且可以被压缩在主框架部235与中间壳体110的内表面之间使得可以在它们之间提供没有任何间隙的紧密密封。

如上所述，由于通过在无纺布上涂覆气体捕获材料而形成的过滤器构件230以包裹框架的方式安装，因此可以恒定地保持过滤器构件230的形状并且容易地将气体过滤器230安装到中间壳体110的内周面或与中间壳体110的内周面分离。

图7为根据本发明的第四实施例的膜加湿器的剖视图，图8是示出气体过滤器安装在膜加湿器的盒的内侧或外侧的结构的示意图。

在根据第四实施例的膜加湿器中，气体过滤器的过滤器构件240可以以包围多个中空纤维膜160的方式安装在多个第一盒150中的每一个第一盒的内周面或外周面上方。

图7和8(a)示出了安装在第一盒150的内周面上的过滤器构件240。由于过滤器构件240必须具有与第一盒150的内周面的形状相对应的形状，所以它可以通过在无纺布上涂覆气体捕获材料而形成。

第一盒150具有在其相对两端处开口的管的形状。网格部152形成在第一盒的至少两个侧表面中，使得第二流体经由其中一个网格部152引入并经由另一个网格部152排出。

可以如下制造模块：通过将过滤器构件240插入第一盒150中以将其安装在第一盒150的内周面上，将多个中空纤维膜160布置在其中，然后将中空纤维膜160、过滤器构件240和第一盒150灌封在一起。此时，过滤器构件240可以以完全阻塞网格部152的方式安装，以确保第二流体在被引入第一盒150中或从第一盒150排出时通过过滤器构件240。

根据图8(b)所示的本发明的第四实施例，过滤器构件242安装在第一盒150的外周面上。在这种情况下，多个过滤器构件242可以以阻塞第一盒150的网格部152的方式安装在其外侧。

由于过滤器构件242必须具有与第一盒150的外周面的至少一部分相对应的形状，因此其可以通过在无纺布上涂覆气体捕获材料来形成。

虽然未示出，但是第一盒150可以在网格部152的周围设置有多个突出肋，以容许过滤器构件242安装在其上。

可以如下制造模块：通过将过滤器构件242安装在第一盒150的外周面上，将多个中空纤维膜160布置在其中，并将中空纤维膜160、第一盒150和过滤器构件242封装在一起来。

在第三实施例和第四实施例中，气体捕获材料可以是与前述实施例中描述的材料相同的材料。

图9为根据本发明的第五实施例的膜加湿器的剖视图，图10为示出安装在膜加湿器的中间壳体和盖壳体之间的气体过滤器的结构的示意图。

在根据第五实施例的膜加湿器中，气体过滤器的过滤器构件250以这样的方式安装在外壳单元中：经由第一流体入口121引入的第一流体在被引入第一盒150的中空纤维膜160的内腔之前通过气体过滤器的过滤器构件250。

如上所述，外壳单元可以被配置为中间壳体110耦接到一对盖壳体120的结构。气体过滤器的过滤器构件250可以可分离地安装在具有第一流体入口121的盖壳体120中或安装在中间壳体110和具有第一流体入口121的盖壳体120之间。

例如，过滤器构件250可以安装在具有第一流体入口121的盖壳体120中，然后安装有第一盒150的中间壳体110可以耦接到盖壳体120。

虽然图9示出了仅是具有第一流体入口121的盖壳体120在其中设置有过滤器构件250，但是具有第一流体出口122的盖壳体120也可以在其中设置有过滤器构件250。如果这样，过滤器构件250可以从引入到膜加湿器100的第一流体中捕获有害气体，并且还可以从自膜加湿器100排出的第一流体中捕获有害气体。

如图10所示，过滤器构件250可以包括通过在无纺布上涂覆气体捕获材料而形成的过滤器部和以包围过滤器部的方式耦接到过滤器部的框架部255。

框架部255可以具有与外壳单元的截面形状相对应的多边形或圆形的整体形状。

如图10的局部放大剖视图所示，框架部255可以在其内周面中设置有过滤器固定凹槽256，过滤器构件250的边缘将要插入到该过滤器固定凹槽256中。

此外，优选地，过滤器构件150还包括密封构件258，密封构件258设置在框架部255的端部处，具体地设置在框架部的端部处以耦接到具有第一流体入口121的盖壳体120。密封构件258可以由诸如橡胶的弹性材料制成，并且在过滤构件250被安装在盖壳体120内部时，密封构件258可以被压缩，从而可以防止气体经由过滤器构件250与盖壳体120之间的间隙的任何泄漏。

在下文中，将描述根据上述实施例的膜加湿器的气体过滤器的性能测试的结果。

首先，在每个实施例中，通过用PFSA涂覆厚度为100μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)无纺布，将沸石和铌颗粒施加到其上，然后将厚度为100μm的PET无纺布附接于其上，膜型过滤器构件被制作为气体过滤器。

根据每个实施例的形状切割如上所述制造的过滤器构件。

[第一实施例]

通过将各自切割成10mm×300mm的尺寸的250个过滤器构件灌封在一个盒中，并将用于加湿的中空纤维膜放置和灌封在其他三个盒中，制造了包括四个盒的膜加湿器。随后，将分别包括10ppm的NH

[表1]

如表1所示，针对有害气体，根据第一实施例的气体过滤器的气体捕获性能为64％、38％和42％。可以看出，针对NH

此外，为了评价加湿性能，通过将干燥空气(流量：3500sLPM，温度：80℃，相对湿度：5至10％RH，绝对压力：1.8巴)和湿空气(流量：3500sLPM，温度：80℃，相对湿度：80％RH，绝对压力：1.6bar)供应到膜加湿器，进行加湿。从膜加湿器排出的加湿空气的露点为54℃。

[第二实施例]

通过将各自切割成10mm×300mm的尺寸的80个过滤器构件与多个中空纤维膜一起放置并灌封在每个盒中，制造了包括三个盒的膜加湿器。随后，使用与上述第一实施例中相同的方法来确定气体过滤器的效果。

[表2]

如表2所示，针对有害气体，根据第二实施例的气体过滤器的气体捕获性能为72％、59％和63％。可以看出，针对NH

此外，使用与上述第一实施例中相同的方法对加湿性能的评价表明，从膜加湿器排出的加湿空气的露点为56℃。

[第三实施例]

通过将切割成120mm×460mm的尺寸的过滤器构件安装在外壳单元与三个盒之间，制造了包括三个盒的膜加湿器。随后，使用与上述第一实施例中相同的方法确定气体过滤器的效果。

[表3]

如表3所示，针对有害气体，根据第三实施例的气体过滤器的气体捕获性能为91％、89％和87％。可以看出，针对NH

使用与上述第一实施例中相同的方法对加湿性能的评价表明，从膜加湿器排出的加湿空气的露点为55℃。

[第四实施例]

通过将切割成280mm×220mm的尺寸的过滤器构件安装在每个盒的内周面上，并将其与一束中空纤维膜一起灌封，制造了包括三个盒的膜加湿器。

[表4]

如表4所示，针对有害气体，根据第四实施例的气体过滤器的气体捕获性能为94％、93％和94％。可以看出，针对NH

使用与上述第一实施例中相同的方法对加湿性能的评价表明，从膜加湿器排出的加湿空气的露点为56℃。

[第五实施例]

通过将切割成170mm×170mm的尺寸的过滤器构件安装在盖壳体与中间壳体之间，制造了包括三个盒的膜加湿器。随后，将分别包括10ppm的NH

[表5]

如表5所示，针对有害气体，根据第五实施例的气体过滤器的气体捕获性能为95％、96％和96％。可以看出，针对NO

使用与上述第一实施例中相同的方法对加湿性能的评价表明，从膜加湿器排出的加湿空气的露点为57℃。

在第一实施例至第五实施例中，从膜加湿器排出的加湿空气的露点为54至57℃，这表明实施例具有相似水平的加湿性能。

在根据本发明的用于燃料电池的膜加湿器中，能够在保持加湿性能的同时捕获和过滤在干燥空气中包含的大部分有害气体的气体过滤器可以被集成在膜加湿器中。