CN112638512A - 带有导热能力的用于燃料电池装置的膜片加湿器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有至少一个加湿器模块的加湿器(4)，加湿器模块具有对于水蒸气可透过的膜片(5)以及在膜片(5)两侧相应具有带有限定流动通道(7)的至少两个壁(9)的流场框架(6)。带有相对于膜片(5)提高的导热能力的热桥(8)伸过膜片(5)。本发明此外涉及一种带有这样的加湿器(4)的燃料电池装置(1)以及一种带有具有加湿器(4)的燃料电池装置(1)的机动车。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有至少一个加湿器模块的加湿器，加湿器模块具有对于水蒸气可透过的膜片以及在膜片两侧相应具有带有限定流动通道的至少两个壁的流场框架(Flussfeldrahmen)。本发明此外涉及一种带有加湿器的燃料电池装置以及一种带有具有加湿器的燃料电池装置的机动车。
背景技术
应用燃料电池以在电化学反应中提供电能，其例如可被用于驱动电动机。一重要的应用领域在此是燃料电池在机动车中的应用，其中，与此相联系的功率需求导致将多个燃料电池联合成燃料电池堆，从而对于反应物的供给存在相应高的需求，即一方面燃料、通常氢气和另一方面含氧的气体、通常空气。为了在具有燃料电池堆的燃料电池装置中提供足够的空气量，应用压缩空气的压缩机，其中，这与其温度的明显提高相联系，从而存在对空气在供应到燃料电池堆之前进行调节的需求，即调节成对于在燃料电池堆中燃料电池的运行必需的条件。对此应用加湿器，在其中实现湿气从燃料电池堆的潮湿的废气转变成干燥的、被压缩的、来自压缩机的空气。
在文件DE 10 2016 200 410 A1中公开了一种构建为板式加湿器(Plattenbefeuchter)的膜片加湿器，在其中流动板具有第一气体通道、第二气体通道以及冷却通道以便能够借助于流过冷却通道的冷却介质从来自压缩机的空气抽取尽可能多的热能。
在文件US 2004/0258968 A1中公开了一种加湿器，在其中水蒸气可透过的膜片通过穿孔的金属板件来提供，其孔填充有水蒸气可透过的材料，从而仅膜片面积的一小部分供水蒸气交换使用。
发明内容
本发明因此目的在于在带有足够大的膜片(其用于以燃料电池堆的排出空气有效地加湿燃料电池堆的进入空气)的加湿器中提供一种简单的调温可能性。此外目的是提供一种改善的燃料电池装置以及一种改善的机动车。
该目的通过带有权利要求1的特征的加湿器、通过带有权利要求9的特征的燃料电池装置以及通过带有权利要求10的特征的机动车来实现。本发明的有利的设计方案与适宜的改进方案在从属权利要求中来说明。
应注意的是，膜片的导热能力不足以获得期望的调温并且其也不能以简单的方式(例如通过添加金属填充元件)来改善，因为这会负面地影响膜片中的水运送，从而在文件DE 10 2016 200 410 A1中在流动板内提供冷却通道，其中，由此所需要的体积不供燃料电池堆的进入空气和排出空气使用。本发明相对于此设置成提供热桥(Waermebruecke)，其导热能力相对于膜片提高，其中，该热桥伸过膜片并且因此实现从在膜片的一侧上的一流动通道到在膜片的相对而置的一侧上的另一流动通道中的热量传输。
带有所提供的加湿器模块的加湿器特征还在于，其能够以简单的方式缩放和因此可适配功率要求并且尤其对于带有多个燃料电池的燃料电池堆的进入空气的调节可设计成使得加湿器模块多重地设置有多个被流场框架分离的膜片，其中，每个流场框架具有多个带有相关联的壁的流动通道。
热桥能够以简单的方式由此来设计，即在流场框架中的一个处成形有至少一个销(Zapfen)，其穿过膜片伸到相对而置的框架的销容纳部(Zapfenaufnahme)中，其中，热量传输还又可由此来改善，即设置有多个销和对应数量的销容纳部，其与壁相关联。销和销容纳部在此尤其是壁的整体组成部分，从而不需要附加的结构空间以在加湿器中提供必需的热特性，如果壁自身作为流场框架的部分由导热能力良好的材料(例如金属或带有较高热传导能力的塑料)形成，那么这尤其适合。关于该塑料例如可参照Albis公司的产品AlcomPA66 910/32.1 GF8 TCE8。
此外存在如下可能性，即一部分数量的流场框架在分配给相邻的膜片的两侧上具有销并且与该部分数量互补的互补数量(Komplementaermenge)的流场框架在两侧上具有销容纳部。这尤其提供优点，因为通常该多个所提供的加湿器模块被压制在两个端板之间，如此必需的密封性可借助于挤压配合(Presspassung)来建立。如果放弃这两个部分数量的区别，存在该优点，即可将相同的流场框架用于进入空气和用于排出空气。
带有前面所说明的加湿器的燃料电池装置特征在于减小的结构空间需求。与加湿器相联系所提到的优点还适宜地适用于燃料电池装置。
对于带有具有这样的加湿器的燃料电池装置的机动车，对于其同样得到结构空间优点，因为对于热交换器和水分离器的存在集成的设计。
附图说明
本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求、优选的实施形式的接下来说明以及根据附图得出。其中：
图1示出了具有加湿器的燃料电池装置的极其示意性的图示，
图2示出了根据现有技术通过加湿器的截段(Ausschnitt)的纵剖面，
图3示出了根据现有技术通过加湿器的截段的横截面，
图4示出了加湿器的根据本发明的一实施形式的相应于图2的图示，
图5示出了加湿器的根据本发明的一实施形式的相应于图3的图示，
图6示出了加湿器的另一实施形式的相应于图4的图示，
图7根据图5示出了属于图6的图示，以及
图8示出了对带有旋转了90度的流场和布置在交点处的热桥的流场框架的俯视图。
具体实施方式
在图1中示出了燃料电池装置1中对于阐述本发明必需的部分，其中，燃料电池装置1包括用于多个在燃料电池堆2中联合的燃料电池的湿度调节的设备。
燃料电池中的每个包括阳极、阴极以及将阳极与阴极分离的、能传导质子的膜片。膜片由离聚物(Ionomer)、优选地磺化四氟乙烯聚合物(PTFE)或全氟化磺酸聚合物(PFSA)形成。备选地，膜片可形成为碳氢化合物膜片(Hydrocarbon-Membran)。
可给阳极和/或阴极附加地掺加催化剂，其中，膜片优选地在其第一侧上和/或在其第二侧上涂覆有由贵金属或包括如铂、钯、钌等贵金属的混合物构成的催化剂层，其在相应的燃料电池的反应中用作反应加速器。
经由阳极室可将燃料(例如氢气)输送到阳极。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被分解成质子和电子。PEM可让质子穿过，但是对于电子不可透过。在阳极例如进行如下反应：2H2 → 4H+ + 4e-(氧化/释放电子)。在质子穿过PEM进入阴极期间，电子经由外部电路被导引到阴极处或到储能器处。
经由阴极室可将阴极气体(例如氧气或含氧的空气)输送给阴极，使得在阴极侧发生以下反应：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O(还原/接收电子)。
为了保证氢质子穿过PEM的离子传导能力，在PEM中需要存在水分子。因此在将其输送给燃料电池之前尤其加湿阴极气体，以造成PEM的湿度饱和(Feuchtigkeitssaettigung)。
因为在燃料电池堆2中多个燃料电池联合在一起，须提供足够大量的阴极气体供使用，从而通过压缩机3来提供较大的阴极气体质量流，其中，由于阴极气体的压缩其温度显著提高。阴极气体的调节(即其鉴于在燃料电池堆2中所期望的参数的调整)在加湿器4中进行。
在图2和图3中示出了由现有技术已知的加湿器。在图2中示例性地示出了三个膜片5，其交替地关联有带有用于湿的排出空气和用于干燥的进入空气的流动通道7的流场框架6，这些空气的流动和流动方向通过箭头来表示。图3示出了从图2中的构造侧面的视图，其中，尤其可见多个在流场框架6中构造的流动通道7。通过位于流场框架6中的流动通道7之间的膜片5由于其可透水蒸气的特性可加湿干燥的进入空气，其中，由于膜片5的较低的导热能力不能获得所期望的调温。
在图4中示出了根据本发明所形成的加湿器4的一实施例的与图2类似的图示，在其中借助于热桥8实现由充填的箭头所表示的热量传输。热桥8对此伸过膜片5。热桥8的导热能力相对于膜片5提高。因为在该实施例中存在多个加湿器模块，其带有多个由流场框架6分离的膜片5，也存在带有所关联的壁9的多个流动通道7和多个形成热桥8的销10和销容纳部11。销10和销容纳部11在此与壁9相关联，其自身由可良好导热的材料构成，例如由金属。为了良好的传热，销10的尺寸适配于销容纳部11的尺寸；尤其地，销10配合精确地布置在销容纳部11中和/或被压入其中。图4在此示出了一实施形式，在其中用于进入空气和用于排出空气的流场框架6相同地来构建，即在一侧上具有销10而在另一侧上具有销容纳部11，而图6示出了一备选的实施形式，在其中部分数量的流场框架6在分配给相邻膜片5的两侧上具有销10并且互补数量的流场框架6在两侧上具有销容纳部11。
此外应注意的是，热桥8相对于膜片5密封，其中，这通过将销密封来获得。这例如可通过O形环或粘合部位(Klebstelle)或挤压配合(其在加湿器模块张紧时起作用)实现。
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 膜片
6 流场框架
7 流动通道
8 热桥
9 壁
10 销
11 销容纳部
12 密封件。
Claims (10)
1.一种带有至少一个加湿器模块的加湿器(4)，所述加湿器模块具有对于水蒸气可透过的膜片(5)以及在所述膜片(5)两侧相应具有流场框架(6)，其带有限定流动通道(7)的至少两个壁(9)，其特征在于，带有相对于所述膜片(5)提高的导热能力的热桥(8)伸过所述膜片(5)。
2.根据权利要求1所述的加湿器(4)，其特征在于，所述加湿器模块多重地设置有多个由所述流场框架(6)分离的膜片(5)，并且每个流场框架(6)具有带有相关联的所述壁(9)的多个所述流动通道(7)。
3.根据权利要求1或2所述的加湿器(4)，其特征在于，在所述流场框架(6)中的一个处成形有至少一个销(10)，其穿过所述膜片(5)伸到相对而置的所述流场框架(6)的销容纳部(11)中。
4.根据权利要求3所述的加湿器(4)，其特征在于，设置有多个所述销(10)和对应数量的销容纳部(11)，其与所述壁(9)相关联。
5.根据权利要求4所述的加湿器(4)，其特征在于，部分数量的所述流场框架(6)在分配给相邻的所述膜片(5)的两侧上具有所述销(10)，并且与所述部分数量互补的互补数量的所述流场框架(6)在两侧上具有所述销容纳部(11)。
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，所述销(10)与所述壁(9)一件式地来构造并且/或者所述销容纳部(11)布置在所述壁中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的加湿器(4)，其特征在于，所述流场框架(6)由带有相对于所述膜片(5)提高的传导能力的材料如金属、能导热的塑料形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的加湿器(4)，其特征在于，所述热桥(8)相对于所述膜片(5)密封。
9.一种燃料电池装置(1)，其带有根据权利要求1至8中任一项所述的加湿器(4)。
10.一种带有燃料电池装置(1)的机动车，所述燃料电池装置具有根据权利要求1至8中任一项所述的加湿器(4)。
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