專利名稱：用于濕潤器的中空纖維膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于燃料電池的濕潤器的中空纖維膜及其制造方法。更特別地，本
發(fā)明涉及顯示優(yōu)越的耐濕熱性能和優(yōu)良的親水性并可低成本制造的用于濕潤器的中空纖維膜，及其制造方法。
背景技術(shù)：
燃料電池定義為通過氫和氧的結(jié)合而發(fā)電的發(fā)電電池。和一般的電池比如干電池、儲能電池(storage cell)等不同，燃料電池的優(yōu)勢在于只要提供氫和氧，它們便可以保持發(fā)電，且沒有熱損失，因此效率是內(nèi)燃機(jī)的大約兩倍。另外，由于燃料電池直接將氫和氧結(jié)合產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，它們幾乎不釋放污染物。因此，燃料電池具有其它優(yōu)勢環(huán)境友好，并能減少對和能量消耗的增加一致的資源折耗的憂慮。 基于使用的電解液的種類，燃料電池主要分成聚合物電解液膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(S0FC)、堿性燃料電池(AFC)等。這些多種類型的燃料電池基本上基于相同的原理進(jìn)行工作，但就使用的燃料的種類、工作溫度、催化劑、電解液等而言則不同。其中，聚合物電解液燃料電池被認(rèn)為是在運(yùn)輸系統(tǒng)以及小規(guī)模固定發(fā)電器領(lǐng)域中最有前途，因?yàn)樗鼈冊谳^低溫度下工作，并因它們和其它燃料電池相比更高的功率密度而能實(shí)現(xiàn)小型化。 在改進(jìn)聚合物電解液燃料電池的性能中，最重要的因素之一是通過以不少于預(yù)定水平的量提供水分而保持膜電極組件的聚合物電解液膜中的水分含量。因此，當(dāng)干燥時，聚合物電解液膜的發(fā)電效率急劇降低。 聚合物電解液膜的濕潤方法包括1)通過將水裝入內(nèi)壓容器并通過擴(kuò)散器流通目標(biāo)氣體而提供水分的鼓泡器濕潤方法，2)通過計算燃料電池反應(yīng)所需的水分供給量并通過電磁閥直接向氣流管路提供水分量而提供水分的直接噴射法，3)使用聚合分離膜向氣流層提供水分的濕潤膜法等方法。其中，通過選擇性地透過廢氣中含有的水蒸汽向供給聚合電解液膜的氣體提供水蒸汽而濕潤聚合物電解液膜的濕潤膜法非常有優(yōu)勢，因?yàn)闈駶櫰骺梢詼p輕重量并小型化。 用于濕潤膜法的選擇性滲透膜優(yōu)選為在模塊形成的情況下單位體積的滲透面積的比率高的中空纖維膜。即，使用中空纖維膜生產(chǎn)濕潤器的優(yōu)勢在于，即使少量也可充分濕潤燃料電池，因?yàn)榫哂兄锌绽w維膜的集成度高，接觸表面面積寬，材料便宜的可能性，且從燃料電池排出的未反應(yīng)熱氣中含有的水分和熱量可以回收然后通過濕潤器再循環(huán)。
同時，燃料電池，特別是用于運(yùn)輸系統(tǒng)的燃料電池，必須具有足夠的長時間工作耐久性。因此，用于濕潤器的中空纖維膜需要避免耐濕熱性能在高溫和高濕度條件下長時間變差。另外，用于濕潤器的中空纖維膜應(yīng)具有優(yōu)越的親水性以選擇性地透過廢氣中含有的水分。然而，耐濕熱性能與親水性是彼此不相容的互斥性質(zhì)。因此，滿足耐濕熱性能的用于濕潤器的中空纖維膜具有因低親水性而濕潤性能不令人滿意的缺點(diǎn)。相反，因高親水性而顯示優(yōu)越的濕潤性能的用于濕潤器的中空纖維膜的耐濕熱性能低，因此不適合于濕潤器應(yīng)
4長時間工作的情形。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及可用于燃料電池的濕潤器的中空纖維膜及其制造方法，所述中空纖維膜能夠事實(shí)上解決源于和背景技術(shù)有關(guān)的上述限制和缺點(diǎn)的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個目的在于提供具有優(yōu)異的耐濕熱性能以及親水性的用于濕潤器的中空纖維膜，及其制造方法。 本發(fā)明的另一目的在于提供顯示優(yōu)越的親水性和優(yōu)良的防交叉性(crossoverprevention properties)同時可以低成本制造的用于濕潤器的中空纖維膜，及其制造方法。 本發(fā)明的再一目的在于提供顯示優(yōu)越的親水性和優(yōu)良的濕潤性同時可以低成本制造的用于燃料電池的濕潤器。 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將在下列描述中說明并從該描述顯而易見。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將從示例性實(shí)施方案得以理解。本發(fā)明的上述和其它目的及其它優(yōu)勢將通過詳細(xì)描述和權(quán)利要求以及附圖中指定的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)并完成。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，上述及其它目的可通過提供下列用于濕潤器的中空纖維膜完成，所述中空纖維膜含有具有中空中心的管式第一親水聚合物膜；和涂布于所述管式第一親水聚合物膜的內(nèi)表面上的第二親水聚合物膜。 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于濕潤器的中空纖維膜的制造方法，其包括從
第一親水聚合物材料生產(chǎn)中間體中空纖維膜；將所述中間體中空纖維膜裝入外罩以生產(chǎn)中間體中空纖維膜模塊；和在所述中間體中空纖維膜的內(nèi)表面上涂布第二親水聚合物膜。 根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了用于燃料電池的濕潤器，其包括外罩，具有第一進(jìn)口和第二進(jìn)口 ，供給燃料電池的反應(yīng)氣體通過第一進(jìn)口進(jìn)入，從燃料電池放出的含水分未反應(yīng)氣體從第二進(jìn)口進(jìn)入；外罩中設(shè)置的第一親水聚合物膜和第二親水聚合物膜，所述第一和第二親水聚合物膜為通過第一進(jìn)口進(jìn)入的反應(yīng)氣體提供流道并選擇性地僅透過通過第二進(jìn)口進(jìn)入的含水分未反應(yīng)氣體的水分。 應(yīng)當(dāng)理解，上述一般技術(shù)和下列詳細(xì)描述都出于對本發(fā)明的說明或描述的目的而給出，用于對權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的更為詳細(xì)的解釋。 根據(jù)本發(fā)明的用于濕潤器的中空纖維膜及其方法，提供了具有優(yōu)越的性質(zhì)(包括耐濕熱性能、親水性和對水分的選擇性滲透)的中空纖維膜和耐久性和濕潤性最大化的用于燃料電池的濕潤器。 另外，根據(jù)本發(fā)明的用于濕潤器的中空纖維膜及其方法，可提供顯示優(yōu)越的親水性和優(yōu)良的防交叉性并可以低成本制造的用于濕潤器的中空纖維膜。結(jié)果，也可低成本提供具有優(yōu)越的濕潤性的用于燃料電池的濕潤器。


從聯(lián)系附圖的下列詳細(xì)描述將可以更清楚地理解本發(fā)明的上述及其它目的、特征及其它優(yōu)勢，其中 圖1是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于燃料電池的濕潤器的簡5
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器的中空纖維膜的截面圖；禾口
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器的中空纖維膜制造方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面，將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的一個實(shí)施方案。
圖1是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于燃料電池的濕潤器的簡圖。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于燃料電池100的濕潤器具有外罩110，外罩110裝有一束多個中空纖維膜120。第一進(jìn)口 111a位于外罩110的一側(cè)，提供給燃料電池的反應(yīng)氣體(未顯示)通過第一進(jìn)口 llla進(jìn)入。第一出口 112a位于外罩110的另一側(cè)，反應(yīng)氣體通過第一出口 112a排出。 中空纖維膜120束的兩端分別通過粘合劑130固定于外罩110的兩側(cè)。粘合劑130阻斷外罩110的中部和第一進(jìn)口 llla和第一出口 112a中的任何一個之間的空氣流動。同時，因?yàn)槊恳恢锌绽w維膜120具有開口的相對端，它具有和第一進(jìn)口 llla和第一出口 112a都?xì)怏w連通的中空部分123。因此，通過第一進(jìn)口 llla進(jìn)入的反應(yīng)氣體僅通過中空纖維膜120的中空部分123便可以移動至具有第一出口 112a的外罩110的另一側(cè)。
同時，第二進(jìn)口 lllb和第二出口 112b位于外罩110的中部，從燃料電池放出的含水分未反應(yīng)氣體通過第二進(jìn)口 lllb進(jìn)入，通過第二進(jìn)口 lllb進(jìn)入外罩110中部的未反應(yīng)氣體通過第二出口 112b排出。 下面詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明 一個實(shí)施方案的用于燃料電池的濕潤器的工作原理。
提供給燃料電池的反應(yīng)氣體通過第一進(jìn)口 11 la進(jìn)入，同時從燃料電池排出的含水分未反應(yīng)氣體通過第二進(jìn)口 111b進(jìn)入外罩110的中部。通過第一進(jìn)口 llla進(jìn)入的反應(yīng)氣體通過中空纖維膜120束的中空部分123移向第一出口 112a。 通過第一進(jìn)口 llla進(jìn)入的反應(yīng)氣體是干燥的，而通過第二進(jìn)口 lllb進(jìn)入外罩llO的中部的未反應(yīng)氣體含有大量水分，因此引起中空纖維膜120內(nèi)部和外部之間的相當(dāng)大的濕度差異。該濕度差異引起未反應(yīng)氣體中含有的水分通過中空纖維膜120滲入相應(yīng)的中空部分123從而增大沿著中空纖維膜120的中空部分123移向第一出口 112a的反應(yīng)氣體的濕度。同時，通過第二進(jìn)口 111b進(jìn)入外罩110中部的來自燃料電池的未反應(yīng)氣體失去水分并因此逐漸變干。由此干燥的未反應(yīng)氣體通過第二出口 112b排出到濕潤器外。因此，借助本發(fā)明濕潤器的工作可以將進(jìn)入濕潤器100的濕度高于初始反應(yīng)氣體的反應(yīng)氣體供給燃料電池。 根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案，優(yōu)選地，第二進(jìn)口 lllb位于第一出口 112a附近，第二出口 112b位于第一進(jìn)口 llla附近。這用于使未反應(yīng)氣體中含有的水分在外罩110中設(shè)置的中空纖維膜120的中空部分123整個充分滲透。S卩，從第一進(jìn)口 llla移動到第一出口112a的反應(yīng)氣體的濕度在第一進(jìn)口 111a側(cè)低，但因水分通過中空纖維膜120從未反應(yīng)氣體的連續(xù)供應(yīng)而朝向第一出口 112a變高。因此，中空纖維膜120位于第一進(jìn)口 llla側(cè)的部分和濕度較低的未反應(yīng)氣體接觸，中空纖維膜120位于第一出口 112a側(cè)的部分和濕度較高的未反應(yīng)氣體接觸，從而實(shí)現(xiàn)在整個中空纖維膜120的均勻的水分滲透。
圖2是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器的中空纖維膜的截面圖。
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如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器120的中空纖維膜含有具有中空中心的管式第一親水聚合物膜121，和涂布于管式第一親水聚合物膜121內(nèi)表面上的第二親水聚合物膜122。 同時，耐濕熱性能與親水性是彼此不相容的互斥性質(zhì)。因此，僅用一種親水聚合物既不能滿足濕潤器的耐久性也不能滿足濕潤器的濕潤性能。即，不利地，滿足耐濕熱性能的聚合物膜因其相對低的親水性而不能顯示令人滿意的濕潤性能，相反，因高親水性而顯示優(yōu)越的濕潤性能的聚合物膜因其低耐濕熱性能而不適合濕潤器應(yīng)長時間工作的情形。因此，優(yōu)選地，第一和第二親水聚合物膜121和122由耐濕熱性能與親水性不同的材料組成。
至于根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器的中空纖維膜，管式第一親水聚合物膜121的耐濕熱性能比涂布于第一親水聚合物膜121內(nèi)表面上的親水聚合物膜122的耐濕熱性能優(yōu)越。另一方面，第二親水聚合物膜122的親水性和選擇性水分滲透性(或防交叉性)比第一親水聚合物膜121的優(yōu)越。因此，盡管整個中空纖維膜的親水性和選擇性滲透不大大取決于在整個中空纖維膜顯示相對優(yōu)越的親水性和選擇性滲透的聚合物膜所處的位置(即，中空纖維膜的內(nèi)表面和外表面之一 )，但具有相對優(yōu)越的耐濕熱性能的聚合物膜位于中空纖維膜的外表面的情形更為優(yōu)選，以改進(jìn)整個中空纖維膜的耐濕熱性能。
根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的第一親水聚合物膜121由聚醚酰亞胺(PEI)制成，第二親水聚合物膜123由全氟化磺酸共聚物(例如可從Dupont， Corp.獲得的NAFI0N )組成。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的親水聚合物膜不限于此，任何親水聚合物膜均包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，第一親水聚合物膜121可由聚醚酰亞胺(PEI)、聚酰亞胺(PI)、聚酰胺亞胺(PAI)、聚砜或聚醚砜生產(chǎn)，第二親水聚合物膜122可由全氟化磺酸共聚物、聚乙烯醇(PVA)或聚丙烯腈(PAN)生產(chǎn)。 同時，用于生產(chǎn)第二親水聚合物膜122的全氟化磺酸共聚物因其非常高的親水性和防交叉性優(yōu)選作為用于濕潤器的中空纖維膜，但因其制備上的困難而具有價格昂貴的缺點(diǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的中空纖維膜使用聚醚酰亞胺作為管式第一親水聚合物膜121的材料，少量的全氟化磺酸共聚物作為涂布于管式第一親水聚合物膜121內(nèi)表面上的第二親水聚合物膜122的材料，因此有利地降低總生產(chǎn)成本。 圖3是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施方案的用于濕潤器的中空纖維膜制造方法的流程圖。 首先，由第一親水聚合物材料生產(chǎn)中間體中空纖維膜(S100)。中間體中空纖維膜的生產(chǎn)用任何常規(guī)的中空纖維膜制造方法進(jìn)行。例如，中間體中空纖維膜通過下列方法制造制備內(nèi)凝結(jié)溶液(inside coagulation solution)，所述內(nèi)凝結(jié)溶液含有由親水聚合物(比如聚醚酰亞胺)、有機(jī)溶劑和添加劑組成的紡絲原液，和由二醇化合物或有機(jī)溶劑和水組成的溶液；通過雙管噴嘴將所述內(nèi)凝結(jié)溶液排出至空氣；將其浸入含有外凝結(jié)溶液的凝結(jié)浴中，并將其固化；然后洗滌，干燥和輥壓。 然后，重復(fù)步驟100多次以獲得中間體中空纖維膜束，并將所述中間體中空纖維膜束裝入外罩內(nèi)以生產(chǎn)中間體中空纖維膜模塊(S200)。 通過因此獲得的中間體中空纖維膜用泵循環(huán)第二親水聚合物溶液(S300)。第二親水聚合物溶液流遍中間體中空纖維膜的中空部分后，它促進(jìn)循環(huán)。然后，干燥保持在中間體中空纖維膜內(nèi)表面上的第二親水聚合物溶液以在管式第一親水聚合物膜(121)內(nèi)表面上形成第二親水聚合物膜122(S400)。 盡管出于說明的目的描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不脫離權(quán)利要求公開的本發(fā)明范圍和精神的情況下，可作多種修改、增加和替換。
權(quán)利要求
中空纖維膜，其包括具有中空中心的管式第一親水聚合物膜；和涂布于所述管式第一親水聚合物膜的內(nèi)表面上的第二親水聚合物膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的中空纖維膜，其中所述第一親水聚合物膜和第二親水聚合物膜由不同材料組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的中空纖維膜，其中所述第一親水聚合物膜的耐濕熱性能優(yōu)于所述第二親水聚合物膜的耐濕熱性能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的中空纖維膜，其中所述第二親水聚合物膜的親水性優(yōu)于所述第一親水聚合物膜的親水性。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的中空纖維膜，其中所述第二親水聚合物膜的選擇性水分滲透優(yōu)于所述第一親水聚合物膜的選擇性水分滲透。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的中空纖維膜，其中所述第一親水聚合物膜由聚醚酰亞胺(PEI)、聚酰亞胺(PI)、聚酰胺亞胺(PAI)、聚砜或聚醚砜制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的中空纖維膜，其中所述第二親水聚合物膜由全氟化磺酸共聚物、聚乙烯醇(PVA)或聚丙烯腈(PAN)制成。
8. 中空纖維膜的制造方法，其包括由第一親水聚合物材料生產(chǎn)中間體中空纖維膜；將所述中間體中空纖維膜裝入外罩以生產(chǎn)中間體中空纖維膜模塊；禾口在所述中間體中空纖維膜的內(nèi)表面上涂布第二親水聚合物膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中涂布第二親水聚合物膜的步驟包括通過所述中間體中空纖維膜的中空部分循環(huán)第二親水聚合物溶液；禾口干燥保持在所述中間體中空纖維膜的內(nèi)表面上的第二親水聚合物溶液。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述第一親水聚合物膜由聚醚酰亞胺制成，所述第二親水聚合物由全氟化磺酸共聚物制成。
11. 用于燃料電池的濕潤器，其包括外罩，其具有第一進(jìn)口和第二進(jìn)口 ，供給燃料電池的反應(yīng)氣體通過第一進(jìn)口進(jìn)入，從燃料電池放出的含水分的未反應(yīng)氣體從第二進(jìn)口進(jìn)入；禾口中空纖維膜，其含有第一親水聚合物膜和第二親水聚合物膜，所述中空纖維膜為通過所述第一進(jìn)口進(jìn)入的反應(yīng)氣體提供流道，其中含水分的未反應(yīng)氣體中僅水分通過所述中空纖維膜滲入所述流道使得反應(yīng)氣體被濕潤。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的濕潤器，其中所述外罩還具有第一出口，其與所述流道氣體連通，濕潤的反應(yīng)氣體通過所述第一出口供給燃料電池；和第二出口，通過水分滲入所述流道而干燥的未反應(yīng)氣體通過所述第二出口被排出。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的濕潤器，其中所述第二進(jìn)口位于所述第一出口附近，所述第二出口位于所述第一進(jìn)口附近。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11的濕潤器，其中所述第一親水聚合物膜位于所述第二親水聚合物膜的外表面，所述第一和第二親水聚合物膜由不同材料組成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的濕潤器，其中所述第一親水聚合物膜比第二親水聚合物膜具有更高的耐濕熱性能但具有更低的親水性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的濕潤器，其中所述第一親水聚合物膜由聚醚酰亞胺制成，所述第二親水聚合物由全氟化磺酸共聚物制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于濕潤器的中空纖維膜及其制造方法，所述中空纖維膜顯示優(yōu)良的耐濕熱性能和優(yōu)良的親水性，可以低成本制造。所述中空纖維膜包括具有中空中心的管式第一親水聚合物膜，和涂布于所述管式第一親水聚合物膜的內(nèi)表面上的第二親水聚合物膜。所述方法包括從第一親水聚合物材料生產(chǎn)中間體中空纖維膜，將所述中間體中空纖維膜裝入外罩中生產(chǎn)中間體中空纖維膜模塊，和在所述中間體中空纖維膜的內(nèi)表面上涂布第二親水聚合物膜。
文檔編號B01D71/00GK101765457SQ200880100514
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者李武錫 申請人:可隆株式會社