CN105917508B - 湿度交换器以及具有这种湿度交换器的燃料电池组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在两种气体之间的湿度传递的湿度交换器(10)，其带有多个中空纤维膜片(12)。其特征在于，设置成，湿度交换器(10)包括至少一个分离壁(34)，其布置在中空纤维膜片(12)之间并且多个中空纤维膜片(12)至少在其纵向延伸的部分区域(36)中分割成并联的区域(38)。此外，本发明涉及一种带有这种湿度交换器(10)的燃料电池组件(50)。

Description

湿度交换器以及具有这种湿度交换器的燃料电池组件

技术领域

本发明涉及一种用于在两种气体之间的湿度传递的湿度交换器，其带有多个中空纤维膜片。此外，本发明涉及一种带有这种湿度交换器的燃料电池组件。

背景技术

燃料电池利用带有氧气的燃料到水的化学转换来产生电能。为此，燃料电池作为核心组件包含所谓的膜片电极单元(MEA即membrane electrode assembly)，其是由传导质子的膜片和分别两侧地布置在膜片处的电极(阳极和阴极)构成的复合物。此外，气体扩散层(GDL)可在膜片电极单元两侧布置在电极的背对膜片的侧处。通常，燃料电池通过多个、布置在堆垛(英文：stack)中的其电功率累加的多个MEA形成。在燃料电池运行时，将燃料、尤其氢气H₂或含氢的气体混合物输送给阳极，在给出电子的情况下在该处发生从H₂到H⁺的电化学氧化。经由使反应空间气密地相互分离且电绝缘的电解质或膜片，(水合地或无水地)实现H⁺质子从阳极空间到阴极空间中的输送。在阳极处提供的电子经由电导线供给给阴极。将氧气或含氧的气体混合物输送给阴极，从而在吸收电子的情况下发生O₂到O^2-的还原。同时，在阴极空间中，氧离子与经由膜片输送的质子在形成水的情况下反应。通过直接从化学能转化成电能，相对于其它能量转换器，燃料电池由于避开了卡诺因数而得到在低的过程温度下更高的效率。

目前最为先进的燃料电池技术以聚合物电解质膜片(PEM)为基础，在其中，膜片自身由聚合物电解质组成。在此，常常使用酸改性的聚合物、尤其全氟化的聚合物。这种类型的聚合物电解质的最为广泛的代表是由硫化的聚四氟乙烯共聚物构成的膜片(商品名称：Nafion；由四氟乙烯和全氟烷基乙烯醚的磺酰酸氟化物衍生物组成的共聚物)。在此，经由水合的质子进行电解的引导，因此水的存在是质子传导能力的条件，并且在PEM燃料电池运行时需要使运行气体湿润。由于水的必要性，在标准压力下该燃料电池的最高运行温度限制在100℃以下。与高温聚合物电解质膜片燃料电池(HT-PEM-燃料电池)区别开，所述燃料电池类型也被称为低温聚合物电解质膜片燃料电池(NT-PEM-燃料电池)，高温聚合物电解质膜片燃料电池的电解传导能力以通过静电复杂化合结合在聚合物电解质膜片的聚合物构架处的电解质为基础(例如添加磷酸的聚苯并咪唑(PBI)膜片)并且在160℃的温度下运行。

文件DE 10 2004 022 310 B4公开了一种带有布置成束的中空纤维膜片的湿度交换模块。穿孔的管在轴向方向上在一束的中心伸延通过该束，该管在其轴向扩展的中间利用阻断元件(Sperrelement)封闭。束的设置在中空纤维膜片之间的空腔也在该束的轴向扩展的中心利用阻断元件封闭。在运行中，燃料电池的潮湿的废气流动穿过单个的中空纤维膜片。被输送给燃料电池的待加湿的空气经由其端部中的一个流入管中，在阻断元件前面经由穿孔部离开管并且部分径向地且部分轴向向外流动穿过该束的空腔。紧接着，待加湿的空气流动环绕该束中的阻断元件并且又部分径向地、部分轴向地通过空腔在阻断元件的另一侧上流向管的穿孔部。由此，实现了湿度交换器的交叉流与对流的混合。

文件DE 10 2008 028 832 A1公开了一种加湿器，其包括中空纤维，该中空纤维布置在层中并且通过粘合剂固定，粘合剂布置在层上的多个轨迹中。在此，这些轨迹横向于中空纤维取向。通过该轨迹实现迷宫式的流动引导。

此外，根据图1已知带有多个中空纤维12的湿度交换器10，其根据交叉流原理设计。在湿度交换器10运行时，待除湿的气体14流入中空纤维12的敞开的端部13中并且流动穿过中空纤维12。经除湿的气体16从相同的中空纤维12的相对而置的敞开的端部13流出中空纤维12。待加湿的气体18流入入口收集器(Einlasssammler)20中，并且在中空纤维12的长度和宽度上分布在入口收集器20中，从此处开始，待加湿的气体18流动环绕中空纤维12的外表面直至出口收集器22。紧接着，经加湿的气体24经由出口收集器22离开湿度交换器10。

发明内容

现在，本发明目的在于提供带有更高效率的湿度交换器以供使用。

根据本发明，提供一种用于在两种气体之间传递湿度的带有多个中空纤维膜片的湿度交换器以供使用。其特征在于，设置成，湿度交换器包括至少一个分离壁，其布置在中空纤维膜片之间并且多个中空纤维膜片至少在其纵向延伸的部分区域中分割成并联的区域。

通过将至少一个分离壁布置在中空纤维膜片之间且多个中空纤维膜片至少在其纵向延伸的部分区域中分割成并联的区域来在该部分区域中基本上通过至少一个分离壁规定在中空纤维膜片的外表面处的在运行中出现的流动的主流动方向。由此，可以简单的方式实现可根据对流原理运行的湿度交换器。与热交换器器相似地来理解对流原理，即通过在中空纤维膜片的内部中的空腔的流动的主流动方向与在中空纤维膜片的外表面处的流动的主流动方向相反地定向。通过对流原理提高了湿度交换器的效率，由此其可更紧凑地来实施。

通过在中空纤维膜片的内部中的空腔的流动和在中空纤维膜片的外表面处的流动典型地为气体流动，其中，气体流动中的一个具有比另一个更高的水(水蒸气)浓度。中空纤维膜片是可渗透水的膜片。由此，中空纤维膜片可理解成圆柱形的纤维，其在横截面中具有连续的通道，该通道使中空纤维膜片的内部空腔与中空纤维膜片的外表面相连接。

优选地，多个中空纤维膜片布置成方向相同。也就是说，中空纤维膜片可布置成束或垛。换言之，中空纤维膜片可布置成纤维叠(Faserpaket)。通过方向相同的布置方案，在中空纤维膜片之内的空腔中以及在中空纤维膜片之间的空腔中得到有利的流动情况。

在本发明的优选的设计方案中设置成，至少一个分离壁使并联的区域在部分区域中气密地相互分离。由此，防止了在并联的区域之间的任意横向流动并且在部分区域中实现了纯粹的对流湿度交换器。

在本发明的优选的设计方案中，设置成，湿度交换器具有尤其地布置在多个中空纤维膜片侧向的进入部和/或尤其地布置在多个中空纤维膜片侧向的离开部以用于利用气体加载中空纤维膜片的外表面。由此，进入部和/或离开部在流动技术上与中空纤维膜片的外表面相连接。通过将进入部和/或离开部布置在多个中空纤维膜片侧向，可在减小材料消耗的同时实现湿度交换器的紧凑的外部尺寸。

优选地设置成，并联的区域并排布置成列，其中，优选地侧向的进入部和/或侧向的离开部布置在该列的一端部处。通过该设计方案保证，例如从进入部开始，围绕中空纤维膜片的外表面的流动先后到达并联的区域。由此，借助于至少一个分离壁实现尤其有效的对流湿度交换器，在其中，借助于分离壁此外可尤其简单地防止或至少减小在外表面的环流中的死区。

优选地设置成，侧向的进入部和侧向的离开部布置在一列的相对的端部处。由此，进入部和离开部也布置在多个中空纤维膜片的相对的侧上。由此，流动通过并联的区域经过相同的路程，从而使并联的区域在流动技术上等同。

根据本发明的一优选的设计方案设置成，可被流动穿过的横截面从侧向的进入部和/或侧向的离开部开始朝向由进入部和/或离开部最远地远离的并联区域越来越多地减小。优选地，由此横截面积的值从进入部和/或离开部开始朝向在最远地远离的并联的区域(严格)单调下降。通过该设计方案保证，使进入部和/或离开部与并联的区域相连接的可被流动穿过的横截面相应于体积流被匹配。由此，可保证在进入部和/或离开部与并联的区域之间的流动速度尽可能保持恒定，由此减小损失。

在本发明的另外优选的设计方案中，设置成，侧向的进入部和侧向的离开部布置在多个中空纤维膜片的纵向延伸的相对而置的端部处。由此，中空纤维膜片的长度被最优地用于湿度交换。

优选地，至少一个分离壁在中空纤维膜片的纵向延伸方向上布置在侧向的进入部和侧向的离开部之间。由此，避免了流动偏转且由此减小了压力损失。

优选地设置成，湿度交换器在进入部和/或离开部与中空纤维膜片之间相应地具有收集器。该收集器在多个中空纤维膜片的纵向延伸的方向上优选地最大地具有进入部和/或离开部的扩展。此外，收集器的扩展也可超过进入部和/或离开部在多个中空纤维膜片的纵向延伸的方向上的扩展最大100%、尤其地最大50%、优选地最大25%。此外，收集器优选地在多个中空纤维膜片的整个宽度上延伸。由此可使待加湿的气体分布在湿度交换器的整个宽度上，且可使得该待加湿的气体环流中空纤维膜片的整个长度。

此外，提供一种包括根据本发明的湿度交换器的燃料电池组件以供使用。由于湿度交换器的高的效率，该燃料电池组件的特征尤其在于其紧凑的结构。

优选地设置成，湿度交换器的多个中空纤维膜片的外表面与燃料电池组件的燃料电池的阴极输入部和阴极输出部在流动技术上连接成使得湿度交换器可作为对流湿度交换器运行。由此，在燃料电池运行时，借助于湿度交换器从燃料电池的废气中提取在燃料电池反应中产生的水并且将其输送给新鲜空气流。由此，保证了燃料电池的膜片的充分加湿。通过湿度交换器作为对流湿度交换器的运行，实现了最优的效率。

由其它在从属权利要求中所述的特征得到本发明的其它优选的设计方案。

本发明的不同的在该申请文件中所述的实施形式可有利地相互组合，只要没有另外说明。

附图说明

接下来根据从属的附图以实施例阐述本发明。其中：

图1显示了根据现有技术的湿度交换器；

图2显示了根据本发明的一优选的设计方案的湿度交换器的内部结构；

图3显示了根据本发明的一优选的设计方案的湿度交换器；

图4显示了另一根据本发明的一优选的设计方案的湿度交换器；以及

图5显示了根据本发明的一优选的设计方案的燃料电池组件。

附图标记清单

10湿度交换器

12中空纤维膜片

13中空纤维膜片的敞开的端部

14待除湿的气体

15中空纤维膜片的外表面

16经除湿的气体

18待加湿的气体

20入口收集器

22出口收集器

24经加湿的气体

26壳体框架

28壳体盖

29壳体

30进入部

32离开部

34分离壁

36多个中空纤维膜片的纵向延伸的部分区域

38并联的区域

39可被流动穿过的横截面

40死区

42实际主流动方向

50燃料电池组件

52燃料电池

54阴极侧

56阳极侧

58阴极输入部

60阳极输出部。

具体实施方式

已经就现有技术详细探讨了图1。

图2显示了根据本发明的一优选的设计方案的湿度交换器10的内部结构。多个中空纤维膜片12可以布置成纤维叠的方式例如被注入作为壳体29的一部分的壳体框架26中。中空纤维膜片12在其两个端部处分别具有敞开的端部13，其被引导穿过壳体框架26。此外，中空纤维膜片12具有外表面15，该外表面15借助于未示出的通道与布置在敞开的端部13之间的在中空纤维膜片12的内部中的空腔相连接。通过该通道，在湿度交换器10运行时，水(H₂O)穿过中空纤维膜片12走向其外表面15处。水来自待除湿的气体14，其被传递到待加湿的气体18上。

图3显示了根据本发明的优选的设计方案的湿度交换器10。从图2中已知的壳体框架26可利用壳体盖部28向上和向下封闭，壳体盖部28具有布置在多个中空纤维膜片12侧向的进入部30和/或布置在多个中空纤维膜片12侧向的离开部32以用于加载中空纤维膜片12的外表面15。由此，中空纤维膜片12的外表面15位于直至封闭到进入部30和离开部32上的壳体29中，壳体29包括壳体框架26和壳体盖部28。为了简化图示，在图3中的壳体部分透明地被示出。进入部30和离开部32在其最简单的设计方案中是在壳体29的壁中的连续的孔。此外，进入部30和/或离开部32还可构造成，使得待加湿的气体18分布在多个中空纤维膜片12的整个宽度上，和/或经加湿的气体24汇集在多个中空纤维膜片12的整个宽度上。

在图3中可看出根据本发明的分离壁34，其布置在中空纤维膜片12之间。分离壁34将多个中空纤维膜片12至少在其纵向延伸的部分区域36中分割成并联的区域38。此外，分离壁36在其整个宽度上分割多个中空纤维膜片12。在该示例中，分离壁34从壳体29的一侧延伸直至壳体29的相对的一侧并且气密地来实施。由此，并联的区域38在部分区域36中借助于分离壁34彼此气密地分离。分离壁34可被注塑到壳体中、尤其地壳体框架26中，壳体框架26例如由人造树脂形成。

可看出，并联的区域38并排布置成列，其中，侧向的进入部30和侧向离开部32布置在该列的相对而置的端部上。此外可看出，侧向的进入部30和侧向的离开部32布置在多个中空纤维膜片12的纵向延伸的相对的端部处。此外，分离壁34布置在侧向的进入部30和侧向的离开部32之间。

与不带有分离壁34的湿度交换器相比较，通过该分离壁34有效减小了流动技术上的死区40(即，仅仅难以或者完全无法流动穿过的区域)。

在图4中，还可更准确地看出根据本发明的一优选的设计方案的湿度交换器10的内部结构。可在图4中看出的湿度交换器10与在图3中的湿度交换器的区别在于，彼此错位地布置分离壁34。该错位布置成使得可被流动穿过的横截面39从侧向的进入部30开始朝向由进入部30最远地远离的并联区域38越来越多地减小。此外，可被流动穿过的横截面39也从侧向的离开部32开始朝向由离开部32最远地远离的并联区域38越来越多地减小。通过该设计方案，可进一步减小死区40，因为距离死区40最近的分离壁34可进一步被引导到死区40处。在图2和4中示出的中空纤维膜片15也可具有松弛的波形的走向。

图5显示了根据本发明的优选的设计方案的燃料电池组件50。该燃料电池组件50包括燃料电池52，其具有阴极侧54和阳极侧56。中空纤维膜片12的外表面15与燃料电池52的阴极输入部58相连接，并且中空纤维膜片12的敞开的端部13与燃料电池52的阴极输出部60在流体技术上相连接。燃料电池组件52可用于为驱动未示出的车辆的电动机供给电流。

接下来应根据本发明的优选的设计方案阐述湿度交换器10和燃料电池组件50的工作原理。

在运行时，燃料电池52经由阳极侧56被供给燃料，例如氢气。经由阴极侧54为燃料电池52输送新鲜空气(反应空气)。为了保护燃料电池52的聚合物电介质膜片(PEM)不会脱水，为被输送的新鲜空气加湿。这借助于湿度交换器10实现，湿度交换器10从燃料电池52的废气流、即待除湿的气体14中提取湿气并且将湿气输送给新鲜空气流、即待加湿的气体18。在废气流中存在的湿气在此来自燃料电池反应并且借助于湿度交换器10又输送给燃料电池52。

借助于湿度交换器10，通过待除湿的气体14通过在中空纤维膜片12的一个端部处的敞开的端部13流入，流动穿过中空纤维膜片12并且通过在中空纤维膜片12的另一端部处的敞开的端部13作为经除湿的气体16离开来实现湿度传递。在中空纤维膜片12之内，湿气通过毛细管冷凝在通道中冷凝，通道使外表面15与中空纤维膜片12的内部空腔相连接。待加湿的气体18进到进入部30中并且流动环绕中空纤维膜片12的外表面15。在流动环绕外表面时，在通道中冷凝的湿气蒸发，且被流动带走。同时，冷凝的水气密地封闭通道。经加湿的气体24经由离开部32离开湿度交换器10并且由此被输送给燃料电池52。

根据图3和4的湿度交换器10相对于至今已知的湿度交换器(例如根据图1)的区别在于，现在，借助于根据本发明布置的分离壁34实现根据对流原理的运行。为了该目的，在并联的区域38中，在中空纤维膜片12之外的待加湿的气体18的主流动方向与在中空纤维膜片12之内的待除湿的气体14的主流动方向相反地定向。

两种气体14,18的流动引导对两种气体14,18的水含量的浓度差有决定性影响，该浓度差存在于中空纤维膜片12的膜片上。相对于至今为止实现的根据图1的交叉流动引导，现在对流引导提供的优点是，在两种气体14,18之间的浓度差与在湿度交换器10中的位置无关地近似恒定，而在交叉电流引导中该浓度差随着水交换的增加而减小。此外，根据图1的湿度交换器10具有在进入部和离开部之间中间的在中空纤维膜片12之外的主流动方向42，其带来的缺点是，外表面15的相对大的部分区域不被环流并且由此产生相对大的死区40。

借助于根据本发明的至少一个作为多个中空纤维膜片12的分割部分起作用的分离壁34，一方面减小了死区40(即中空纤维膜片12的未被利用的部分)，并且另一方面使流动取向成使得在湿度交换器10中出现对流引导。

Claims (7)

1.一种用于在两种气体(14,18)之间的湿度传递的湿度交换器(10)，其带有多个中空纤维膜片(12)，其特征在于，所述湿度交换器(10)包括至少一个分离壁(34)，其布置在所述中空纤维膜片(12)之间且所述多个中空纤维膜片至少在其纵向延伸的部分区域(36)中分割成并联的区域(38)，其中所述湿度交换器(10)具有布置在所述多个中空纤维膜片(12)侧向的进入部(30)和/或布置在所述多个中空纤维膜片(12)侧向的离开部(32)以用于利用气体(18)加载所述中空纤维膜片(12)的外表面(15)，其中所述并联的区域(38)并排布置成列，其中，所述侧向的进入部(30)和/或所述侧向的离开部(32)布置在所述列的一端部处，并且其中能被流动穿过的横截面(39)从所述侧向的进入部(30)和/或所述侧向的离开部(32)开始朝向与所述进入部(30)和/或所述离开部(32)最为远离的并联的区域(36)越来越多地减小。

2.根据权利要求1所述的湿度交换器(10)，其特征在于，所述侧向的进入部(30)和所述侧向的离开部(32)布置在所述列的相对而置的端部处。

3.根据前述权利要求中任一项所述的湿度交换器(10)，其特征在于，所述侧向的进入部(30)和所述侧向的离开部(32)布置在多个中空纤维膜片(12)的纵向延伸的相对而置的端部处。

4.根据权利要求3所述的湿度交换器(10)，其特征在于，所述至少一个分离壁(34)在所述中空纤维膜片(12)的纵向延伸方向上布置在所述侧向的进入部(30)与所述侧向的离开部(32)之间。

5.根据权利要求1或2所述的湿度交换器(10)，其特征在于，所述至少一个分离壁(34)使所述并联的区域(38)在所述部分区域(36)中气密地相互分离。

6.一种燃料电池组件(50)，其包括根据前述权利要求中任一项所述的湿度交换器(10)。

7.根据权利要求6所述的燃料电池组件(50)，其特征在于，所述湿度交换器(10)的多个中空纤维膜片(12)的外表面(15)与所述燃料电池组件(50)的燃料电池(52)的阴极输入部(58)和阴极输出部(60)在流动技术上连接成使所述湿度交换器(10)能作为对流湿度交换器来运行。