CN112514124A - 加湿器、带有加湿器的燃料电池装置以及机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有多个加湿器模块(6)的加湿器，这些加湿器模块借助拉杆(7)被撑紧在端板(5)之间并且具有对于水蒸气可穿透的膜片(9)，其中在膜片(9)的两侧相应地布置有流场框架(10)，该流场框架带有定义流场的多个接片。拉杆设计为形成冷却剂管的中空杆(17)，用于使冷却介质引导通过。本发明此外涉及一种燃料电池装置(1)以及一种机动车。

Description

加湿器、带有加湿器的燃料电池装置以及机动车

技术领域

本发明涉及一种带有多个加湿器模块的加湿器，这些加湿器模块借助拉杆被撑紧在端板之间并且具有对于水蒸气可穿透的膜片，其中，在膜片的两侧相应设置有流场框架，该流场框架带有定义流场的多个接片(或腹条，即Steg)。本发明此外涉及一种燃料电池装置以及一种机动车。

背景技术

加湿器通常用来能够针对具有不同湿气含量的两种气态介质引起把湿气传递到较干燥的介质上。这种气体/气体-加湿器尤其应用在燃料电池装置中，在其中在阴极回路内，为了供应燃料电池堆的阴极空间，对其中含有氧气的空气予以压缩，从而产生相对热的且干燥的压缩空气，该空气的湿度不足以应用在用于膜片式电极单元的燃料电池堆中。由压缩机提供的用于燃料电池堆的干燥空气被加湿，其方式为，使得所述空气经过对于水蒸气可穿透的膜片，该膜片的另一侧以来自燃料电池堆的潮湿排出空气扫掠。此外，在燃料电池堆中，无论在阳极侧还是在阴极侧都积累液态水，其必须从燃料电池堆移除。加湿器、水分离器以及定位于压缩机之后的增压空气冷却器是大型部件，它们促使显著增大了对于燃料电池装置而言的所需结构空间并且限制了燃料电池装置的效率，因为存在高的热损失。

申请人已提出，使用具有多个加湿器模块的加湿器，这些加湿器模块具有定义流场的接片，通过所述流场能实现使得膜片均匀地以与该侧相关联的介质扫掠。在这种加湿器中借助拉杆把各加湿器模块撑紧。

在DE 10 2016 113 740 A1中公开了一种调节模块，其提供了热传递器和加湿器的组合，其带有小的结构空间同时可实现的通过量大，其方式为，在调节模块的横截面中，第一横截面区域以柱形构造布置在第二横截面区域内。

在WO 2017/102538 A1中描述了一种带有集成的水分离器的加湿器，其在膜片的一侧具有多个单独的分离元件，以便在燃料电池的废气流与运行剂流之间实现最佳的湿气交换。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种开篇所述类型的加湿器，其具有成本有益的构造。此外本发明的目的是，提供一种改善的燃料电池装置和一种带有提高的效率的机动车。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的加湿器、通过一种具有权利要求8的特征的燃料电池装置、通过一种具有权利要求9的特征的机动车得以实现。带有本发明的适宜改进的有利设计方案在从属权利要求中说明。

根据本发明的加湿器的特点在于在其构造的简单性方面，在该加湿器中利用已被认定为必需的构件(即拉杆)，以便通过简单地改变拉杆的结构上的构造来满足另一功能。即通过把拉杆设计成中空杆，存在如下可行性：将这些拉杆利用作为用于引导冷却介质通过的冷却剂管。在此要注意的是，冷却介质既可以被使用于冷却位于流场中的介质、尤其气体，即如果冷却介质比流场中的介质更冷。然而，流经作为冷却剂管的中空杆的冷却介质也可以携载有热量，从而可以实现热传递，并且由此实现提供能量。

在构造的简单性方面优选的是，多个中空杆关联有共同的用于引入和排出冷却介质的接头。此外有利的是，至少流场框架中的流场由导热材料形成，所述流场有助于改善热交换。对此也有用的是，为了增大热传递面积，通过选自包括肋条、叠片和翼片的组的结构来增大流场的表面积。导热材料由金属形成，或者由导热的、具有金属填充物的塑料形成。

此外有益的是，中空杆借助密封件相对于流场密封，其中，密封件选自包括O形圈、对湿气敏感的膨胀式密封件、粘接密封件和接缝材料的组。粘接密封件可以按简单的方式在制造加湿器时使用，其中，备选地或补充地也存在如下可行性：在膜片和/或流场框架的接纳拉杆的孔眼中放置一种在加湿时高延展的材料，从而在首次使用加湿器时该材料膨胀，并且就像膨胀密封件那样提供密封效果。

提供一种改善的带有燃料电池的燃料电池装置，该燃料电池具有膜片电极组件，该膜片电极组件的电极腔可经由反应物引入线路被供应以反应物并且该膜片电极组件具有反应物废气线路，其方式为，优选在阴极侧上把先前描述的加湿器接入到反应物引入线路中的至少一个反应物引入线路和相关联的反应物废气线路的流动路径中，从而加湿器可以被利用于调节阴极气体。

如果把改善的燃料电池装置使用在机动车中，则产生特别的优点，其方式为，空调设备的冷却剂回路包绕加湿器的中空杆，从而可以对来自压缩机的流经加湿器的气体予以调温。假如蓄水器设置在加湿器中，则附加地利用冷却剂对所蓄存的水予以调温，从而所述水可以更容易地蒸发，并且由此有助于对燃料电池堆加湿。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节可由权利要求、对优选实施形式的后续描述以及借助附图得到。其中：

图1示出了具有加湿器的燃料电池装置的强烈示意性的图示；

图2示出了加湿器模块的依照流场框架-密封件-膜片-密封件-膜片的顺序的分解图；

图3示出了一种具有多个加湿器模块的加湿器，这些加湿器模块布置在具有介质接头的端板之间，通过拉杆撑紧；

图4以俯视图示出了流场框架的一种备选的实施形式，其中用于中空杆的穿引部部分不完全地示出；

图5示出了横截面的示意图，其中中空杆穿过流场框架和膜片；

图6示出了联结到机动车的冷却剂回路处的燃料电池装置的示意图。

具体实施方式

图1中示出了燃料电池装置1中对于阐述本发明所需要的部分，其中，燃料电池装置1包括用于对联合在燃料电池堆2中的多个燃料电池进行湿度调整的设备。

燃料电池中的每个燃料电池都包括阳极、阴极以及使得阳极与阴极分开的、能引导质子的膜片。该膜片由离聚物、优选磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟磺酸的聚合物(PFSA)形成。备选地，该膜片可以形成为碳氢化合物膜片。

阳极和/或阴极可以附加地混入催化剂，其中，膜片优选在其第一侧面上和/或其第二侧面上涂覆以催化剂层，该催化剂层由贵金属或者包括贵金属比如铂、钯、钌等的混合物构成，这些贵金属在相应的燃料电池反应时用作反应加速剂。

可以经由阳极腔给阳极供应燃料(例如氢气)。在聚合物电解质膜片燃料电池(PEM-燃料电池)中，燃料或燃料分子在阳极处分裂为质子和电子。PEM让质子通过，却不能让电子穿透。在阳极处例如进行反应：2H₂→4H⁺+4e^-(氧化/电子释放)。在质子穿过PEM到达阴极期间，电子经由外部电路引导到阴极处或到蓄能器处。

可以经由阴极腔给阴极输送阴极气体(例如氧气或者含有氧气的空气)，从而在阴极侧发生如下反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(还原/电子吸收)。

为了保证氢质子通过PEM的离子传导性，PEM中需要存在水分子。因此，尤其将阴极气体在其被输送给燃料电池之前加湿，以引起PEM的湿气饱和。

由于在燃料电池堆2中联合了多个燃料电池，所以必须提供足够大量的阴极气体，从而通过压缩机3提供大的阴极气体质量流，其中，由于阴极气体压缩，其温度急剧上升。对阴极气体的调节，即对其在燃料电池堆2中所希望的参数方面的调整，在增压空气冷却器中以及在加湿器4中进行。

图3中作为实施例示出的加湿器4具有两个端板5，在这些端板之间布置多个加湿器模块6，其中，加湿器模块6通过拉杆7撑紧在端部5之间。在所示实施例中，为了图示的简单性起见，使用于引入和排出两种介质的介质接头8与端板5之一相关联，其中，对于燃料电池装置1的情况，两种介质仅在其湿气含量方面有所不同，但是在材料方面通常存在空气。但通常存在如下可行性：用于介质之一的介质接头8共同地布置在端板5之一上，或者分开地布置在两个端板5上，用于另一种介质的介质接头8共同地布置在与第一种介质的介质接头8相同的端板或另一个端板5上，或者分开地布置在两个端板5上，其中相对于第一种介质而言，用于供应和排出的介质接头8的关联颠倒，即成排布置的加湿器模块6在介质方面可以U形或Z形地被流过，而在观察两种介质时也可以共同地逆流或交叉逆流。

在图2中示出一个单独的加湿器模块6的构造。在此在膜片9的两侧相应布置有流场框架10，其带有定义流场的多个接片11，在流场框架10中的每个流场框架与膜片9之间设置有密封件12，从而为对于加湿器模块的单元而言，产生了流场框架10-密封件12-膜片9-密封件12-流场框架10的顺序。

在此，流场框架10和接片11具有相同的高度延伸，而在流场框架10中在接片11的两侧上相应布置有将接片11定位的连接器13，该连接器具有相比于接片11更小的高度延伸，该连接器在流场框架10的内侧上经由拐角与两个相互邻接的边腿连接。该连接器13因而在拐角中提供了用于介质的汇集器14，该介质由于连接器13的延伸高度小而从汇集器14中分布到接片11之间，用于生成流场。由于这些接片11具有与流场框架10相同的高度，所以无法在这些接片11之间进行介质交换，并且介质在流场中在膜片9的整个面上发生均匀的分布。此外，由于接片11具有与流场框架10相同的高度，所以接片11也引起对膜片9的支撑，并且提高了整个加湿器模块6的机械稳定性。

密封件12设计成密封框架15，其带有两个相对而置的横向连接器16，这些横向连接器在密封框架15的内侧上经由拐角与两个相互邻接的边腿连接，其中，在膜片9的一侧上，连接器13和横向连接器16与互补的拐角相关联，并且其中，膜片9具有六边形的造型，该六边形的棱边与连接器13、横向连接器16和框架10、15相关联。

因而由图2可看出，对于图2中所示的下面的流场框架10，在右边的拐角中可以进行潮湿介质的引入，该介质经由连接器13引导到接片11之间，并且可以经由相对而置的拐角又离开流场和流场框架10。在图2所示的上面的流场框架10中，接片11的走向相对于下面的场框架10中的接片11走向错开90度的角度。上面的流场框架10中的连接器13又提供了如下可行性：把干燥的介质引入到接片11之间，并且把接片11之间的干燥介质从上面的流场框架10的相对而置的拐角中导出。

应注意的是，由于与流场框架15相关联的横向连接器16，提供了在两种介质之间以及还有向外的气体密封性。因而在加湿器模块6成排地布置于端板5之间的情况下，对于两种介质存在分开的引入通道和排出通道。

加湿器模块6作为一个单元可以在接片11的区域中整体上向外密封，备选地也存在如下可行性：加湿器模块6中的两个相应地组成模块对，并且在指向彼此的侧面上布置用于相同介质的流场框架10，从而相同地制造的加湿器模块6可以成排布置，而从用于潮湿介质的流场框架10到邻接的用于干燥介质的流场框架10中不会发生交换。

密封件12可以实施成嵌入式密封件，适合于诸如PTFE或EPDM的材料。对于膜片9，可考虑应用聚合物膜片，诸如例如磺化膜片，棉膜片同样是合适的。

因为加湿器由通过拉杆7撑紧的多个加湿器模块6构成，所以产生了如下有利的可行性：拉杆7设计为形成冷却剂管的中空杆17，用于引导冷却剂通过，该冷却剂通过中空杆17被引导通过共同的用于引入和排出的接头。为了改善在气体侧上的热传递，流场应由导热材料、尤其金属比如铝或钢制成。也可考虑的是，应用具有高热导率的塑料，其中，塑料的高热导率可以经由金属的填充物来提供。

图4示出，不同于图3中的图示，拉杆7布置在加湿器4的内部也可行，其中，图4中所示的对中空杆17的定位引起及早的气体预热，其结果是更好的水吸收。

图5表明，中空杆17借助密封件18相对于流场框架10和膜片9密封，其中，可以通过粘接位置或者按简单的方式通过O形圈来达到密封效果。

对于在图5中所示出的燃料电池装置1，假定其应用在机动车中，其中，空调设备的冷却剂回路联结到加湿器4的中空杆17处，以便对流经加湿器4的气体进行调温，并且通过利用空调设备的废热来改善燃料电池装置1的效率，并且由此在整体上改善机动车的效率。假如蓄水器布置在加湿器4中，则存在如下附加的可行性：所蓄存的水利用冷却剂予以调温，并且因而更容易蒸发，并且有助于对燃料电池堆2的加湿。

附图标记清单：

1 燃料电池装置

2 燃料电池堆

3 压缩机

4 加湿器

5 端板

6 加湿器模块

7 拉杆

8 介质接头

9 膜片

10 流场框架

11 接片

12 密封件

13 连接器

14 汇集器

15 密封框架

16 横向连接器

17 中空杆

18 密封件。

Claims (10)

1.一种带有多个加湿器模块(6)的加湿器(4)，所述加湿器模块借助拉杆(7)被撑紧在端板(5)之间、具有对于水蒸气可穿透的膜片(9)，其中在所述膜片(9)的两侧相应布置有流场框架(10)，所述流场框架带有定义流场的多个接片，其特征在于，所述拉杆设计为形成冷却剂管的中空杆(17)，用于引导冷却介质通过。

2.根据权利要求1所述的加湿器(4)，其特征在于，所述中空杆(17)关联有共同的用于引入和排出所述冷却介质的接头。

3.根据权利要求1或2所述的加湿器(4)，其特征在于，至少所述流场框架(10)中的流场由导热材料形成。

4.根据权利要求3所述的加湿器(4)，其特征在于，为了增大热传递面积，通过选自包括肋条、叠片、翼片的组的结构来增大所述流场的表面积。

5.根据权利要求3或4所述的加湿器(4)，其特征在于，所述导热材料由金属形成，或者由导热的、具有金属填充物的塑料形成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的加湿器(4)，其特征在于，所述中空杆(17)借助密封件(18)相对于所述流场和/或所述膜片(9)密封。

7.根据权利要求6所述的加湿器(4)，其特征在于，所述密封件选自包括O形圈、对湿气敏感的膨胀式密封件、粘接密封件和接缝密封材料的组。

8.一种带有燃料电池的燃料电池装置(1)，所述燃料电池具有膜片电极组件，所述膜片电极组件的电极关联有电极腔，所述电极腔能够经由反应物引入线路被供应以反应物，并且所述膜片电极组件具有反应物废气线路，其特征在于根据权利要求1至7中任一项所述的加湿器(4)，所述加湿器接入到所述反应物引入线路中的至少一个反应物引入线路和相关联的所述反应物废气线路的流动路径中。

9.一种机动车，带有根据权利要求8的燃料电池装置(1)，其特征在于，空调设备的冷却剂回路包绕所述加湿器的中空杆(17)。

10.根据权利要求9所述的机动车，其特征在于，在所述加湿器(4)中设置有与所述中空杆(17)处于热接触中的蓄水器。

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