CN105226311B - 加湿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于燃料电池的加湿装置，具体而言，该加湿装置具有带有多个水蒸汽可穿透的膜片的堆垛单元，膜片叠置地且彼此间隔开地布置。两个直接相邻的膜片在第一边缘区域处以流不透过的方式连接并且在有角度错位地布置的第二边缘区域处布置在叠置的密封条之间，在密封条之间形成有流开口。

Description

加湿装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的尤其用于燃料电池的加湿装置。

背景技术

由文件DE 10 2009 034 095 A1已知一种用于燃料电池的加湿装置，其包括带有多个相叠布置的彼此间隔开的膜片的膜片堆垛，在膜片之间形成流通道。膜片构造成水蒸汽可穿透并且使得能够实现水分子从在两个膜片之间引导的潮湿的空气中转移至在相邻的流通道中的干燥的空气流中，其由此富含有湿气。加湿的空气流供给给燃料电池系统，在其中在电化学反应中产生电流。

在堆垛中膜片在其边缘区域中与框架件连接，其中在相邻的膜片的框架件之间布置有密封元件以用于以流不透过的方式闭合。干燥的或潮湿的空气交叉地流动通过在其之间相应存在膜片的叠置的流通道。此外框架件以及置于中间的密封元件用作间隔保持件，通过该间隔保持件保持平行夹紧的膜片彼此成间距。

发明内容

本发明的目的在于给出一种在结构上简单构建且高效工作的加湿装置，其例如用于燃料电池。

根据本发明，该目的利用权利要求1的特征实现。从属权利要求给出了适宜的改进方案。

借助根据本发明的加湿装置可使例如供给给燃料电池以用于电化学反应的流动空气富含湿气到如此程度，即直至在空气流中达到要求的最低含湿量。加湿装置具有带有优选平行的且彼此间隔开的膜片的堆垛，膜片分别对于水是可穿透的，然而对于空气是不可穿透的，从而通过膜片仅仅发生水从带有较高湿度的空气流交换至带有较低湿度的、例如供给给燃料电池的空气流。堆垛单元包括至少两个水可穿透的或水蒸汽可穿透的膜片，然而优选具有多于两个膜片，必要时具有多打平行且彼此间隔开的膜片。在相应两个膜片之间形成有流通路或流通道，通过该流通路或流通道将空气流平行于膜片平面引导通过堆垛单元。

相应两个直接相邻的膜片在第一边缘区域处以流不透过的方式彼此连接，从而通过该边缘区域不可实现流体的流入或流出。以流不透过的方式闭合的边缘区域限定了平行于边缘区域通过堆垛单元的流通路。

与第一边缘区域有角度错位地在第二边缘区域处布置有叠置的密封条，在第一边缘区域处以流不透过的方式连接的膜片位于密封条之间。在堆垛单元中叠置地定位有多个密封条，其中在相应两个彼此叠放的密封条之间形成有流开口。流开口实现流体的供给或导出。

对于带有相应两个膜片的在堆垛单元中的每个层而言在相对而置的边缘区域处仅相应需要一个密封条。密封条同时实现通过以下方式将膜片可靠地固定在密封条侧边处，即膜片可在边缘侧被夹入在密封条之间或可与密封条直接固定地连接。在两个彼此重叠堆垛的密封条之间存在两个膜片，在这两个膜片中例如一个例如通过粘接与密封条固定地连接，并且第二个仅松动地在边缘侧夹入在彼此叠放的密封条之间。但同样可行的是，第二膜片尤其通过焊接同样固定地与密封条中的一个连接。对于粘接连接可将粘接带粘上到密封条侧边上，膜片粘上到其暴露侧上。

形成在两个彼此叠放的密封条之间的流开口优选由此实现，即密封条具有朝流通道的中间逐渐变细的截面轮廓，其中逐渐变细部优选仅构造在密封条的一侧处，而密封条的相对而置的侧边优选平直地(geradflächig)实施。因此，密封条具有平直的侧面和非平坦的(即，有特定轮廓的(konturiert))侧面。由此在重叠堆垛时密封条例如以其向下指向的逐渐变细的轮廓放置在位于其下方的密封条的平直的上侧上。在此在位于下方的密封条的平直的上侧和放置于其之上的密封条的逐渐变细的轮廓之间得到流开口。

优选地，密封条仅在中间的区段中具有逐渐变细的截面，而截面在两个端侧的方向上再次变大，从而密封条根据桥的形式来实施。这实现密封条在其端侧的区域中重叠安放并且在中间的区段中形成期望的流开口。

根据一种有利的实施方案，间隔保持件插入在两个叠置的膜片之间，该间隔保持件用于将膜片保持到理论间距上，以便保证期望的流通道。流动通过堆垛单元通常以具有不同压力大小的流实现，其中，在其中布置有间隔保持件的流通道中的流体可具有比在相应相对而置的膜片侧上的流更低的压力。间隔保持件保证：尽管在叠置的流通道中有压力差，但是膜片没有彼此贴靠，而是保持流通道敞开。

间隔保持件可形成连贯的间隔栅。此外，间隔保持件可具有导引流的功能，以便将在其中布置有间隔保持件的通道中的流以针对性指向的方式在通道中从流入侧导引至流出侧。例如可行的是，流入侧和流出侧在通道中彼此错位地布置并且流附加地借助间隔保持件从流入侧引导至流出侧。

根据另一有利的实施方案，将形状配合轮廓引入到密封条的端侧中，该形状配合轮廓用于连接密封条与壳体，堆垛单元插入到该壳体中。在端侧的密封条处的形状配合轮廓关联有在壳体的内壁处的配对轮廓，其与形状配合轮廓相互接合。形状配合轮廓在密封条的端侧处例如实施为槽，在壳体内壁处的对应的形状配合突出部根据槽-舌原理接合到槽中。在密封条的端侧处的槽优选在竖向方向上延伸，从而重叠堆垛的密封条在端侧处具有连续的槽，其在堆垛单元的整个高度上延伸。在壳体内壁处的相应成形的配对件可接合到该连续的槽中。

膜片可在闭合的边缘区域(其相对于带有密封条的边缘区域有角度错位)处至少部分区段地由框架或围边件(Einfassungsteil)围住，其中叠置的膜片的围边件直接且以流不透过的方式彼此连接。围边件由此承担多重功能：膜片在其边缘区域中由围边件来稳定和保持，此外叠置的膜片在堆垛单元中通过围边件彼此连接。此外，围边件用于密封在两个平行地布置的膜片之间的流通路或流通道的侧边区域。用于密封流通道的密封元件可在该部位处取消。更确切地说，密封元件的任务附加地由直接彼此贴靠的以流不透过的方式彼此连接的围边件承担。这允许在没有限制功能性的情况下在降低部件数量时在结构上更简单的构造。

围边件例如可包括两个薄片(Folie)，其在侧边区域中围住膜片并且例如通过层压彼此连接。两个薄片在本身之间包围膜片的侧边区域并且一起形成层压的平膜片(Flachmembrane)，其中相邻的平膜片以流不透过的方式并且在没有中间的密封元件的情况下彼此连接。

在薄片和膜片之间可至少在一侧焊入支撑栅或网式栅(Siebgitter)。支撑栅有利地覆盖膜片面积的至少30%。

必要时，薄片可至少在一侧具有华夫饼轮廓(Waffelprofil)，例如带有金字塔结构，其中华夫饼轮廓在薄片与膜片的重合区域上延伸，从而在不可焊接的膜片材料的情况下至少实现薄片材料与膜片的机械的锚定或锁定(Verkrallung)。

在在与华夫饼轮廓相对而置的侧边上使用附加的格栅(其优选具有与膜片相同的尺寸)的情况下，可在焊接过程中使附加的格栅与薄片之一焊接。此外，通过格栅或格栅的桥接部实现在膜片中的附加地机械固定。

流动通过堆垛单元优选交叉地在叠置的相应形成在膜片之间的流通道中实现。

附图说明

可由其它权利要求、附图说明以及附图中获取其它的优点和适宜的实施方案。其中：

图1显示了用于燃料电池的加湿装置，该燃料电池带有插入壳体中的筒，其含有多个平行相叠布置的水蒸汽可穿透的、形成堆垛单元的膜片，

图2以截面显示了带有膜片的堆垛单元，膜片在侧边区域或边缘区域中由彼此连接的围边件围住，

图3以透视图显示了堆垛单元，带有叠置的密封条，在密封条之间形成流开口，

图4以另一透视图显示了根据图3的堆垛单元，

图5以观察密封条的端侧的方式显示了堆垛单元的一部分，

图6显示了堆垛单元的与图3相应的图示，然而在密封条的端侧处带有附加的槽状的形状配合轮廓。

在附图中相同的构件设有相同的参考标号。

具体实施方式

在图1中示出了用于燃料电池的加湿装置1，通过该加湿装置为燃料电池供给富含湿气的新鲜空气，该新鲜空气具有最低湿度。加湿装置1在壳体2中具有可替换地插入的筒3，该筒用于将包含在排气流中的湿度传递到供给给燃料电池的干燥的新鲜空气流上。筒3具有堆垛单元，其带有多个相叠堆垛的水蒸汽可穿透的膜片。

加湿装置1的壳体2设有新鲜空气通道4，通过该新鲜空气通道引来环境空气作为新鲜空气。新鲜空气通道4包括在筒3上游的供给区段4a以及在筒下游的导出区段4b。

壳体2以相对于新鲜空气通道4错位90°的角度的方式设有排气通道5，通过该排气通道将燃料电池的富含湿气的排气引导通过筒。排气通道5具有在筒3上游的供给区段5a和在筒下游的导出区段5b。

新鲜空气流6和排气流7根据通道4和5的取向以90°的角度交叉，然而空气流6和7在筒3内由水蒸汽可穿透的膜片分开，膜片仅允许水从加载有高的湿度的排气流7交换到干燥的新鲜空气流6上。

图2以截面图显示了筒3。筒3包括堆垛单元，其带有多个相叠布置的平行且彼此有间隔地放置的膜片8，这些膜片分别构造成水蒸汽可穿透、然而不允许空气穿过。用于穿引新鲜空气流以及排气流的流腔或流通道在相应两个膜片8之间伸延。新鲜空气通道4和排气通道5在膜片8之间在叠置的方向上交替。

每个膜片8在其边缘区域中由围边件9围住，围边件9包括两个薄片10和11，其通过层压或焊接(例如超声波焊接)彼此连接。一个薄片10位于膜片8的边缘区域的一侧上，第二薄片11位于膜片8的相对而置的侧面上。围边件9由膜片8的边缘区域与通过层压或焊接连接的薄片形成。

围边件9侧向地在膜片8外部可形成异型区段(Profilabschnitt)12，其构造成角形地或折弯地并且具有接触区域13，该接触区域13平行地与膜片8的平面错位地伸延。对此备选地，围边件9还可构造成平的或构造成不带有限定的异型区段并且由此近似平行于膜片8的平面伸延。相邻的围边件9的接触区域13彼此接触并且以流不透过的方式彼此连接。接触区域13直接彼此贴靠，密封元件或其它的置于中间的构件是不必的。接触区域13相应平坦地构造并且以与膜片平面带有平行间距的方式伸延，从而一方面通过异型区段12桥接在相邻的膜片8之间的间距，并且另一方面彼此叠放的接触区域13相对大面积地彼此贴靠，这有利于以流不透过的方式的连接。该连接例如通过焊接实现。

因为新鲜空气通道4和排气通道5彼此以90°的角度错位地伸延，所以膜片8的边缘区域还相应地以90°的角度错位地设有围边件9，其密封在通道处的有关的端侧。相反地在通道的相应错位90°布置的端侧处不存在围边件；该端侧构造成对于空气的流入或流出敞开。

在膜片8之间的形成新鲜空气通道4或排气通道5的间隙中引入间隔保持件14，其直接在膜片8之间延伸并且保持膜片彼此处于限定的间隔上。

在图3和图4中分别以透视图示出了带有堆垛单元的筒3。在带有围边件9的边缘区域中，相应两个直接相邻的膜片8如上面所说明的那样以流不透过的方式接合在一起。密封条15在与此错位90°角度的边缘区域中互相堆垛，其中在相应两个密封条15之间布置两个膜片8。密封条15相应有特定轮廓地来实施并且具有逐渐变细的截面走向，由此在密封条15的中间的区段中相应形成有流开口16，其通到在相邻的膜片8之间的流通道，间隔保持件14插入到流通道中。与通过流开口16被流入的流通道交叉地在膜片8的相应相对而置的侧边上伸延有带有流开口17的其它的流通道，其位于带有围边件9的闭合的边缘区域之间。同时由密封条15在侧向以流不透过的方式限制带有流开口17的流通道。通过带有流开口16的流通道引导带有较低压力的流体，相反地通过带有流开口17的流通道引导带有较高压力的流体。由于在带有流开口16的流通道中的间隔保持件14因此尽管有较低的压力但是防止膜片的崩塌且维持流通道。

图3、图4和图5分别仅显示了对称于对称平面18构造的筒的堆垛单元的一部分。与此相应地，密封条15根据桥的形式实施成带有平直的上侧和有特定轮廓的(即，不平坦的)下侧，其中在密封条的中间区段中的截面逐渐变细，以便形成流开口16。

筒的堆垛单元也关于另一转动了90°的对称平面对称地实施，从而在完全相对而置的边缘区域处相应布置有密封条15。

在每个密封条15的平直的上侧上施加有粘合剂覆层19，其在两侧实施成有粘性。粘合剂覆层19粘在密封条15的平直的上侧上，同时将膜片8在边缘区域中通过粘合剂覆层19与位于其下方的密封条15粘接。

同样布置在两个相邻的密封条15之间并且沿着密封条15的有特定轮廓的下侧引导的其它的膜片8未与密封条粘接，而是与密封条焊接。密封条15在侧向互相叠放并且将膜片8连同围边件9夹住在本身之间，连同未被粘接的焊接的膜片。通过间隔保持件14将未被粘接的焊接的膜片8连同围边件9保持在密封条15的有特定轮廓的下侧处。

在图6中示出了带有堆垛单元的筒3的一种变型实施方案，在其中密封条15在其端侧处相应具有呈形状配合槽20的形式的形状配合轮廓，其在竖向方向上伸延。由此得到竖向连续的槽，其用于形状配合地固定在起容纳作用的壳体中，在壳体的内壁处安置有对应的突出部。在起容纳作用的壳体的壳体内壁处的突出部与在密封条15的端侧处的形状配合槽20一样同样在竖向方向上延伸，从而堆垛单元可竖向地从上向下插入到壳体中并且在此在壳体内壁处的突出部与在密封条15的端侧处的形状配合槽20接合。

Claims (14)

1.一种加湿装置，带有至少一个堆垛单元，该堆垛单元含有多个水蒸汽可穿透的膜片(8)，该膜片叠置地并且彼此间隔开地布置，其特征在于，两个直接相邻的膜片(8)在第一边缘区域处以流不透过的方式连接，并且在有角度错位地布置的第二边缘区域处布置有叠置的密封条(15)，所述膜片(8)位于该密封条之间，其中在叠置的密封条(15)之间形成有流开口(16)，其中在所述一个边缘区域处以流不透过的方式连接的膜片(8)至少部分区段地由围边件(9)围住，并且其中所述围边件(9)包括两个薄片(10,11)，这两个薄片围住所述膜片(8)。

2.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征在于，所述密封条(15)具有逐渐变细的截面轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的加湿装置，其特征在于，两个膜片(8)有间距地位于两个叠置的密封条(15)之间，该两个膜片在有角度错位的边缘区域处以流不透过的方式连接。

4.根据权利要求3所述的加湿装置，其特征在于，在叠置的密封条(15)之间在所述膜片(8)之间布置有间隔保持件(14)。

5.根据权利要求4所述的加湿装置，其特征在于，所述间隔保持件(14)形成间隔栅。

6.根据权利要求4所述的加湿装置，其特征在于，所述间隔保持件(14)以导引流的方式构造并且将在其中布置有所述间隔保持件(14)的通道中的流在所述通道中从流入侧导引至流出侧。

7.根据权利要求1或2所述的加湿装置，其特征在于，膜片(8)与密封条(15)固定地连接。

8.根据权利要求1或2所述的加湿装置，其特征在于，密封条(15)具有有特定轮廓的侧边，所述膜片(8)与该侧边连接。

9.根据权利要求1或2所述的加湿装置，其特征在于，将形状配合轮廓(20)引入到所述密封条(15)的端侧中以用于与壳体(2)连接，所述堆垛单元可插入该壳体中。

10.根据权利要求9所述的加湿装置，其特征在于，所述形状配合轮廓构造为竖向伸延的形状配合槽(20)或构造为形状配合突出部。

11.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征在于，相邻的膜片(8)的围边件(9)通过焊接彼此连接。

12.根据权利要求1所述的加湿装置，其特征在于，在薄片(10,11)和所述膜片(8)之间至少在一侧焊入有支撑栅。

13.根据权利要求12所述的加湿装置，其特征在于，所述支撑栅覆盖膜片面积的至少30%。

14.一种根据权利要求1至13中任一项所述的加湿装置(1)在燃料电池中的应用。

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