CN112868119A - 加湿器以及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池装置(1)的加湿器(6)，其带有多个流场框架(8)，在流场框架之间相应布置有加湿器膜片(9)。多个与流场框架(8)相同地形成的冷却‑流场框架(10)形成集成的增压空气冷却器(5)，在冷却‑流场框架之间相应布置有分离板(11)。本发明此外涉及一种具有带有集成的增压空气冷却器(5)的加湿器(6)的机动车。

Description

加湿器以及机动车
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池装置的加湿器，其带有多个流场框架(Flussfeldrahmen)，在流场框架之间相应布置有加湿器膜片。本发明此外涉及一种机动车。
背景技术
通常应用加湿器以便可在带有不同湿气含量的两个气态的介质中引起湿气传递到较干燥的介质上。这样的气体/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(Kathodenkreislauf)中为了供给燃料电池堆的阴极室将带有包含在其中的氧气的空气压缩，从而存在相对温暖的且干燥的压缩空气，其湿度不足以使用在用于膜片电极单元的燃料电池堆中。通过将其引导经过对于水蒸气可透过的膜片(其另一侧以来自燃料电池堆的潮湿的废气来扫过)处，将用于燃料电池堆的由压缩机提供的干燥的空气加湿。为了调节待输送到燃料电池堆的阴极室的空气，其调温也是必需的，对此通常使用定位在压缩机之后的增压空气冷却器(Ladeluftkuehler)。加湿器和增压空气冷却器是较大的部件，其促使对于燃料电池装置必需的结构空间显著增大并且限制燃料电池装置的效率，因为存在较高的热损失。
在文件US 2015/0004504 A1中公开了一种用于燃料电池的集成的气体管理装置，其具有加湿器以及热交换器，热交换器布置在加湿器芯的第一端部处。
发明内容
本发明目的在于将开头所提到的类型的加湿器修改成使得可减小燃料电池系统的复杂度。此外目的是提供一种改善的机动车。
该目的通过带有权利要求1的特征的加湿器以及通过带有权利要求10的特征的机动车来实现。带有本发明的适宜的改进方案的有利的设计方案在从属权利要求中来说明。
根据本发明的加湿器特征在于，多个与流场框架相同地形成的冷却-流场框架(在其之间相应布置有分离板)形成集成的增压空气冷却器。一方面由此实现可显著减小结构空间需求，因为增压空气冷却器集成到加湿器中、即与其联合。此外，除了提高集成度之外还提高了在加湿器加增压空气冷却器的总系统中相同零件(Gleichteil)的数量，因为其作为增压空气冷却器的冷却-流场框架与加湿器的流场框架相同地形成、即实现相同零件的生产，接下来首先将其分布到加湿器和增压空气冷却器上并且然后进行关联和命名为流场框架或冷却-流场框架。
此外，如果在布置在堆中的流场框架与布置在堆中的冷却-流场框架之间设置有联结板(Kopplungsplatte)，是优选的。设置在流场框架与冷却-流场框架之间的联结板实现在相应的构件中流动引导的优化，使得虽然存在流场框架和冷却-流场框架的相同构造，但是可相应于其目的不同地流过其。
那么在此提出，联结板无流场地构造有与流场框架相同的横截面并且具有连续的、用于干燥的空气的将流场框架和冷却-流场框架相联结的干燥空气线路(Trockenluftleitung)。与流场框架和冷却-流场框架相同的横截面确保可将联结板集成到由其形成的堆中，其中，除了遵循横截面之外，不必还复制在联结板中流场框架的厚度；联结板可具有与流场框架不同的、尤其提高的厚度。那么这尤其易于使联结板可构造侧向的冷却剂接口，其带有用于将冷却剂导引通过至冷却-流场框架的冷却剂线路，并且联结板具有侧向的空气出口用于潮湿的空气在流场框架的空气线路中导引通过之后排出。
为了加湿器的功能方式，需要在每个加湿器膜片的两侧上布置有密封件。在每个分离板的两侧上也布置有相同地形成的密封件，从而由此继续提高相同零件的数量并且可在生产中和在装配中利用有利的规模效应(Skalierungseffekt)。
此外设置成，分离板由金属或金属合金形成，以便如此保证在冷却-流场框架中的流动的可靠分离与良好的热交换。
还设置成，在冷却-流场框架中的分离板之间为了改善的热传递布置有用于增大表面的元件，其从包括转向板(Umlenkblech)和多孔无纺物(Vlies)的组中选出。
此外设置成，在流场框架和冷却-流场框架中对于流场成型有通道或者提供有多孔的区域。
在带有集成的增压空气冷却器的该加湿器中因此存在带有大量相同零件的模块化的结构并且尤其存在为了适配加湿器和/或增压空气冷却器的所要求的工作能力应用不同数量的模块的简单可能性，其中，所使用的流场框架的数量可独立于冷却-流场框架的数量相应于需求来选择。
因此还存在以前面提到的类型的加湿器形成的燃料电池装置来改善机动车的可能性，因为减小了用于带有集成的增压空气冷却器的加湿器的结构空间需求并且因此在机动车中释放了结构空间用于另外的应用，并且此外用于机动车的成本降低而其效率提升。
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的说明以及根据附图得出。其中：
图1示出了对具有通道的流场框架的俯视图，
图2示出了布置在加湿器膜片之间的两个流场框架的侧视图的示意图，其中，以虚线示出的流场框架引导潮湿的(排出)空气，并且其中，其它的未以虚线示出的流场框架引导干燥的、待加湿的(进入)空气，
图3示出了燃料电池装置的对于阐述本发明必需的部分，即带有阴极侧的辅助设备(Nebenaggregate)的燃料电池堆，
图4示出了冷却-流场框架的相应于图1的图示，其中，以虚线示出的冷却-流场框架引导待冷却的、干燥的(进入)空气，并且其中，其它的未以虚线示出的冷却-流场框架引导冷却剂，
图5示出了容纳在分离板之间的两个冷却-流场框架的相应于图2的图示，
图6示出了在带有集成的增压空气冷却器的加湿器中流动的示意图，其中，在加湿器与增压空气冷却器之间布置有联结板，
图7示出了在增压空气冷却器中线路和流动情况(Stroemungsverhaeltnis)的示意图，相应于图6的左边部分，
图8示出了在联结板中线路和流动情况的示意图，相应于图6中的中间部分，
图9示出了在加湿器中线路和流动情况的示意图，相应于图6中的右边部分，
图10示出了带有多孔的流场的流场框架或冷却-流场框架的相应于图1的图示，
图11示出了在组装之前容纳在两个分离板和两个冷却-流场框架之间的无纺物的示意图，以及
图12示出了在组装之后相应于图11的图示。
具体实施方式
在图3中示出了由现有技术已知的燃料电池装置1中对于阐述本发明必需的部分，其中，燃料电池装置1示出了用于多个联合在燃料电池堆2中的燃料电池的湿度调节的设备。
燃料电池用于在在燃料(通常氢气)与含氧气的氧化剂(通常空气)之间的化学反应中提供电能。倘若功率需求在此超过由燃料电池提供的功率，存在将多个燃料电池串联联合成燃料电池堆2的可能性，其中，然而对参与化学反应的反应物的需求提高并且在阴极侧存在在压缩机3中压缩阴极气体的必要性。通过该压缩在阴极供给线路(Kathodenzufuhrleitung)4中在压缩之后存在显著加热的、干燥的阴极气体，其不适合于直接应用在燃料电池堆2中，因为对于在燃料电池中存在的质子交换膜片需要足够湿度。因此，在阴极供给线路4中在压缩机3下游布置有增压空气冷却器5并且又在其下游布置有加湿器6，通过将在化学反应中积累的产物水经由阴极废气线路7输送给加湿器6在加湿器中加湿阴极气体。
与在图3中示出的、由现有技术已知的加湿器6和增压空气冷却器5的分开提供相对，在本发明中提供带有集成的增压空气冷却器5的加湿器6，接下来更详细地来阐述其构造。
加湿器6包括多个流场框架8，由图1可见其仅示例性的构造，其中，在流场框架8之间相应布置有加湿器膜片9。对于加湿器6存在模块化的构造，从而可使用不同数量的流场框架8，用于适合地设计加湿器6的工作能力。
图2示意性地示出了带有相关联的加湿器膜片9的两个相邻的流场框架8；指出流场框架8在这样形成的堆中无须具有相同的定向，而是在相应成对地联合的流场框架8中其一相对于另一可围绕垂直地处于流场框架8的面上的轴线旋转了90度。
图4示出了冷却-流场框架10，如其应用在增压空气冷却器5中那样。指出冷却-流场框架10相对于由图1示出的流场框架8相同地形成并且是相同零件，其来自于与流场框架8相同的生产过程并且不同的命名仅起因于在一方面加湿器6和另一方面增压空气冷却器5中不同的使用目的。图4在此还直观地示出了相对于图1旋转了90度的定位；对于冷却-流场框架10还可提供交替的定向。
图5示出了两个冷却-流场框架10，在其之间布置有分离板11，其中，例如干燥的空气在由下部的冷却-流场框架10形成的流场中流动并且冷却剂在上部的流场中流动。关于增压空气冷却器5也存在模块化的构造，并且存在将由增压空气冷却器5的所期望的工作能力预设的数量的带有相关联的分离板11的冷却-流场框架10应用在一堆中的可能性。
图6示意性地阐述了在带有集成的增压空气冷却器5的加湿器6中的流动情况，其中，在形成增压空气冷却器5的块(Block)与形成加湿器6的块之间布置有联结板12，其自身无流场地构造有与流场框架8相同的横截面和连续的、用于干燥的空气的将流场框架8和冷却-流场框架10相联结的干燥空气线路13。联结板12此外具有侧向的冷却剂接口14(其带有用于将冷却剂导引通过至冷却-流场框架10的冷却剂线路22)以及侧向的空气出口15用于潮湿的空气在流场框架8的空气线路中导引通过之后排出。
根据图6在带有集成的增压空气冷却器5的加湿器6中的流动情况在此以逆时针进行的、在左上角处开始的列举方式来阐述：干燥的空气到增压空气冷却器5中的入口16，空气按照箭头被导引至联结板12并且穿过其到加湿器6中；冷却剂的出口17；在右下角中，潮湿的空气到加湿器6中的入口18，空气向联结板12的方向离开加湿器6并且从那里通过侧向的空气出口15排出；在右上，在其横穿增压空气冷却器5、联结板12和加湿器6之后加湿的空气的出口19；潮湿的(排出)空气的出口20以及最后冷却剂到联结板12中的入口21用于在冷却剂线路22中传输至增压空气冷却器5。
在增压空气冷却器5中的流动情况还示意性地以在图7中示出的立方体来阐述，其中，示出的通道相应在一侧敞开并且在相对而置的端部处封闭。干燥的空气在16处进入，其通过增压空气冷却器5以交叉流动被引导至在27处的出口。在21处存在冷却剂的入口，冷却剂在17处又离开增压空气冷却器5。
图8以相应于图7的图示示出了一立方体用于阐述在联结板12中的流动情况。来自于增压空气冷却器5的干燥的空气在16处进入联结板12中(其由该干燥的空气流过)并且在相对而置的端部处又离开联结板12以进入加湿器6中。在用于干燥的空气的干燥空气线路13之上，冷却剂的入口21在21处实现，冷却剂经由侧向的冷却剂接口14从联结板12中来引出。
来自加湿器6的潮湿的空气在18处进入联结板12中并且可经由侧向的空气出口15又离开联结板。
图9是用于阐述在加湿器6中的流动情况的相应于图7和图8的图示，其中，又存在在一侧封闭的流动通道。潮湿的空气18在右上进入，其以交叉流动向左下来引导，以便可在那里20又离开加湿器6。干燥的空气在右下进入16，以便同样以交叉流动向左上19来引导并且然后可在背侧的面上离开所示出的立方体。
指出在加湿器6和增压空气冷却器5中相应的流动通道相应于在流场框架8或冷却-流场框架10中的角部23，从其中流动的介质被分布到流场的通道24中。
在图10中示出了流场框架8或冷却-流场框架10，在其中未构造有通道24，而是提供有多孔的流场25。前面所描述的流动关系在此保持不变。这样的带有多孔的流场25的流场框架8提供可在增压空气冷却器6中减小多孔性的可能性，从而提供更大的表面供热传递使用。备选地，为了减小冷却剂中的压力损失，还可增大在加湿器区域中的多孔性，如果与此相联系的优点有理由减少相同零件。
此外应注意的是，在每个加湿器膜片9的两侧上布置有在附图中自身未示出的密封件，其中，在每个分离板11的两侧上还布置有相同地形成的密封件、即关于密封件也存在相同零件。
布置在冷却-流体框架10之间的分离板11由金属或金属合金构成。
图11和图12表明，在冷却-流体框架10中的分离板11之间为了改善的热传递还可提供多孔的无纺物26，其在组装中被压挤以改善用于热传输的接触面。
附图标记清单
1 燃料电池装置
2 燃料电池堆
3 压缩机
4 阴极供给线路
5 增压空气冷却器
6 加湿器
7 阴极废气线路
8 流场框架
9 加湿器框架
10 冷却-流场框架
11 分离板
12 联结板
13 干燥空气线路
14 冷却剂接口
15 空气出口
16 干燥空气入口
17 冷却剂出口
18 潮湿空气入口
19 加湿空气出口
20 潮湿空气出口
21 冷却剂入口
22 冷却剂线路
23 角部
24 通道
25 多孔的流场
26 无纺物
27 干燥空气出口。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池装置(1)的加湿器(6)，其带有多个流场框架(8)，在所述流场框架之间相应布置有加湿器膜片(9)，其特征在于，多个与所述流场框架(8)相同地形成的冷却-流场框架(10)形成集成的增压空气冷却器(5)，在所述冷却-流场框架之间相应布置有分离板(11)。
2.根据权利要求1所述的加湿器(6)，其特征在于，在布置在堆中的所述流场框架(8)与布置在堆中的所述冷却-流场框架(10)之间设置有联结板(12)。
3.根据权利要求2所述的加湿器(6)，其特征在于，所述联结板(12)无流场地构造有与所述流场框架(8)相同的横截面并且具有连续的、用于干燥的空气的将所述流场框架(8)和所述冷却-流场框架(10)相联结的干燥空气线路(13)。
4.根据权利要求3所述的加湿器(6)，其特征在于，所述联结板(12)具有侧向的冷却剂接口(14)，其带有用于将冷却剂导引通过至所述冷却-流场框架(10)的冷却剂线路。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的加湿器(6)，其特征在于，所述联结板(12)具有侧向的空气出口(15)用于潮湿的空气在所述流场框架(8)的空气线路中导引通过之后排出。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的加湿器(6)，其特征在于，在每个加湿器膜片(9)的两侧上布置有密封件，并且在每个分离板(11)的两侧上布置有相同地形成的密封件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的加湿器(6)，其特征在于，所述分离板(11)由金属或金属合金形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的加湿器(6)，其特征在于，在所述冷却-流场框架(8)中的所述分离板(11)之间为了改善的热传递布置有用于增大表面的元件，其从包括转向板、多孔无纺物(26)的组中选出。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的加湿器(6)，其特征在于，在所述流场框架(8)和所述冷却-流场框架(10)中对于所述流场成型有通道(24)或者提供有多孔的流场(25)。
10.一种机动车，其带有具有根据权利要求1至9中任一项所述的加湿器(6)的燃料电池装置(1)。
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