中空纖維膜以及包括該膜的中空纖維膜組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及中空纖維膜以及包括該膜的中空纖維膜組件，更具體地涉及下述一種 中空纖維膜以及包括該膜的中空纖維膜組件：通過用紊流誘導(dǎo)中空纖維膜內(nèi)外部的流體 流動而提高流動均勻性，由此能夠使包括該中空纖維膜的中空纖維膜組件的性能達到最大 化。
[0002] 上述中空纖維膜可以適用于氣體分離組件、加濕組件或者水處理組件等的中空纖 維膜組件上。
【背景技術(shù)】
[0003] 通常，燃料電池是能夠通過氫和氧的結(jié)合產(chǎn)生電能的發(fā)電型電池。燃料電池與諸 如干電池或蓄電池等的一般的化學(xué)電池不同，這種燃料電池的優(yōu)點是只要供給氫和氧，就 可以連續(xù)發(fā)電，并且沒有熱損失，因此與內(nèi)燃機關(guān)相比效率高兩倍左右。另外，該燃料電池 由于將因氫氧結(jié)合而產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，所以環(huán)境污染物的排放程度較低。因 此燃料電池具有以下優(yōu)點：不僅對環(huán)境有利，而且能夠降低因能量消耗的增加帶來的人們 對資源枯竭的擔(dān)憂。這樣的燃料電池根據(jù)所使用的電解質(zhì)的種類大體分為高分子電解質(zhì)型 燃料電池 （Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:PEMFC)、磷酸型燃料電池（PAFC)、 熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC)、固體氧化物型燃料電池（SOFC)、堿性燃料電池（AFC)等。 這些各自燃料電池歸根結(jié)底根據(jù)相同原理工作，但是所使用的燃料的種類、工作溫度、催化 劑、電解質(zhì)等互不相同。其中，高分子電解質(zhì)型燃料電池與其他類型的燃料電池相比，由于 能夠在低溫下工作，且輸出密度大而能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，因此不僅在小規(guī)模安裝型發(fā)電裝備 上、且在輸送系統(tǒng)上具有最好的未來展望性。
[0004] 在提高高分子電解質(zhì)型燃料電池方面最重要的因素之一為，通過向膜電極組件 (Membrane Electrode Assembly:MEA)的高分子電解質(zhì)膜（Polymer Eletrolyte Membrane 或Proton Exchange Membrane:PEM)提供規(guī)定量以上的水分，由此維持含水率。因為在高 分子電解質(zhì)膜干燥時，發(fā)電效率會急劇下降。高分子電解質(zhì)膜的加濕方法有1)在耐壓容 器中加滿水后用擴散器使目標氣體通過而供給水分的鼓泡（bubbler)式加濕方式、2)將對 燃料電池反應(yīng)所需供水量進行計算并通過電磁閥想氣體流動管直接提供水分的直接噴射 (direct injection)方式、3)利用高分子分離膜向氣體流動層供給水分的加濕膜方式等。 在這些方式中，尤其是從可實現(xiàn)加濕器的輕量化和小型化角度考慮，利用僅使排出氣體中 所包含的水蒸氣進行選擇性滲透的膜將水蒸氣向高分子電解質(zhì)膜供給以對高分子電解質(zhì) 膜進行加濕的加濕膜方式有利。
[0005] 在由加濕膜方式中所使用的選擇性滲透膜形成膜組件時，優(yōu)選的是單位體積滲透 面積大的中空纖維膜。即，具有以下優(yōu)點：利用中空纖維膜制造加濕器時，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸面 積大的中空纖維膜的高集成化，因此即使使用小容量的也可充分進行對燃料電池的加濕， 并能夠使用廉價材料，對從燃料電池中以高溫排出的未進行反應(yīng)的氣體中所包含的水分和 熱進行回收，以通過加濕器可進行再利用。
[0006] 但是，現(xiàn)有中空纖維膜是通過單一的噴嘴以規(guī)定條件來生產(chǎn)出來，所以具有外徑 和內(nèi)徑均勻的直線形狀。如果這種形狀的中空纖維膜被安裝在氣體分離用或液體分離用組 件內(nèi)部，則流動阻抗會達到最小化，因此難以形成因紊流導(dǎo)致的均勻的流動，這在產(chǎn)品的性 能達到極大化方面起到障礙作用。為了彌補這樣的缺陷，可以考慮增加賦予流動阻抗的部 件或擋板，但是這會使制造費用提升并需要克服設(shè)計上的困難。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0008] 韓國專利公開第1020090013304號（公開日：2009. 02. 05)
[0009] 韓國專利公開第1020090057773號（公開日：2009. 06. 08)
[0010] 韓國專利公開第1020090128005號（公開日：2009. 12. 15)
[0011] 韓國專利公開第1020100108092號（公開日：2010. 10. 06)
[0012] 韓國專利公開第102010. 0131631號（公開日：2010. 12. 16)
[0013] 韓國專利公開第1020110001022號（公開日：2011. 01. 06)
[0014] 韓國專利公開第1020110006122號（公開日：2011. 01. 20)
[0015] 韓國專利公開第1020110006128號（公開日：2011. 01. 20)
[0016] 韓國專利公開第1020110021217號（公開日：2011. 03. 04)
[0017] 韓國專利公開第1020110026696號（公開日：2011. 03. 16)
[0018] 韓國專利公開第1020110063366號（公開日：2011. 06. 10)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 技術(shù)課題
[0020] 本發(fā)明目的在于提供一種中空纖維膜，通過用紊流誘導(dǎo)中空纖維膜內(nèi)外部的流體 流動而提高流動均勻性，由此能夠使包括該中空纖維膜的中空纖維膜組件的性能達到最大 化。
[0021] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種包括上述中空纖維膜的中空纖維膜組件。
[0022] 解決課題的技術(shù)手段
[0023] 根據(jù)本發(fā)明一實施例的中空纖維膜，其特征在于，沿著長度方向選自由所述中空 纖維膜的內(nèi)徑、外徑以及內(nèi)外徑組合構(gòu)成的組中的任意一個發(fā)生變化。
[0024] 沿著長度方向選自由所述中空纖維膜的內(nèi)徑、外徑以及內(nèi)外徑組合構(gòu)成的組中的 任意一個發(fā)生的變化可以具有周期。
[0025] 沿著長度方向選自由所述中空纖維膜的內(nèi)徑、外徑以及內(nèi)外徑組合構(gòu)成的組中的 任意一個發(fā)生的變化可以是以所述中空纖維膜的平均外徑的2至40倍作為一個周期反復(fù) 變化。
[0026] 所述中空纖維膜的內(nèi)徑可以在平均內(nèi)徑的±40%內(nèi)沿著長度方向發(fā)生變化。
[0027] 所述中空纖維膜的外徑可以在平均外徑的±40%內(nèi)沿著長度方向發(fā)生變化。
[0028] 所述中空纖維膜的外徑可以為0. 5~I. 8mm，所述中空纖維膜的內(nèi)徑可以為0. 2~ I. 5mm〇
[0029] 所述中空纖維膜在所述外徑具有最大值的位置上所述內(nèi)徑可以具有最大值，在所 述外徑具有最小值的位置上所述內(nèi)徑可以具有最小值。
[0030] 所述中空纖維膜在所述外徑具有最大值的位置上厚度可以具有最大值，在所述外 徑具有最小值的位置上厚度可以具有最小值。
[0031] 所述中空纖維膜可以是沿著長度方向內(nèi)徑發(fā)生變化且外徑保持恒定。
[0032] 所述中空纖維膜可以是沿著長度方向外徑發(fā)生變化且內(nèi)徑保持恒定。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明另一實施例的中空纖維膜組件，其特征在于，包括殼體部和安裝在所 述殼體部內(nèi)并具有多個中空纖維膜的中空纖維膜部，在所述中空纖維膜中至少一個中空纖 維膜沿著長度方向選自由所述中空纖維膜的內(nèi)徑、外徑以及內(nèi)外徑組合構(gòu)成的組中的任意 一個發(fā)生變化。
[0034] 所述殼體部可以是兩端開放，在所述殼體部的外表面上形成有注入口和排出口。
[0035] 所述中空纖維膜組件可以進一步包括封裝部，所述封裝部使所述中空纖維膜的兩 端部固定于所述殼體部，且與所述殼體部的兩端部以氣密地接觸。
[0036] 所述中空纖維膜組件可以進一步包括蓋部，所述蓋部與所述殼體部的兩端結(jié)合， 在所述蓋部形成有氣體進出口。
[0037] 所述中空纖維膜組件可以為選自由氣體分離組件、加濕組件和水處理組件構(gòu)成的 組中的任意一個。
[0038] 發(fā)明的效果
[0039] 在本發(fā)明的中空纖維膜中，通過用紊流誘導(dǎo)中空纖維膜內(nèi)外部的流體流動而提高 流動均勻性，由此能夠使包括該中空纖維膜的中空纖維膜組件的性能達到最大化。
【附圖說明】
[0040] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括中空纖維膜的中空纖維膜組件的一部分的分 解立體圖；
[0041] 圖2為圖1中空纖維膜組件的一部分截面圖；
[0042] 圖3為現(xiàn)有的中空纖維膜的縱截面圖；
[0043] 圖4為圖3的AA'部分的橫截面圖；
[0044] 圖5為根據(jù)本發(fā)明一實施例的中空纖維膜的縱截面圖；
[0045] 圖6為圖5的BB'部分的橫截面圖；
[0046] 圖7為圖5的AA'部分的橫截面圖；
[0047] 圖8為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的中空纖維膜的縱截面圖；
[0048] 圖9為圖8的BB'部分的橫截面圖；
[0049] 圖10為圖8的AA'部分的橫截面圖；
[0050] 圖11為根據(jù)本發(fā)明再一實施例的中空纖維膜的縱截面圖；
[0051] 圖12為圖11的AA'部分的橫截面圖；
[0052] 圖13為圖11的BB'部分的橫截面圖。
[0053] 為實施發(fā)明的優(yōu)選實施方式
[0054] 下面，將詳細描述本發(fā)明的實施例，以便本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容 易實施。本發(fā)明可以以多種不同形式體現(xiàn)，并不限于在此進行說明的實施例。
[0055] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的包括中