CN113272046A - 带有被缝入的流场的加湿器模块、加湿器、用于制造加湿器模块的方法和用于制造加湿器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加湿器模块(6)，所述加湿器模块带有：水蒸汽可穿透的膜片(9)；布置在膜片(9)两侧的相应限定流场的间隔保持件(11)；和被缝入到膜片(9)中的纱线(13)。限定流场的间隔保持件(11)通过被缝入到膜片(9)中的纱线(13)形成。本发明此外涉及一种加湿器(4)、一种用于制造加湿器模块(6)的方法和一种用于制造加湿器的方法。

Description

带有被缝入的流场的加湿器模块、加湿器、用于制造加湿器模 块的方法和用于制造加湿器的方法

技术领域

本发明涉及一种加湿器模块，该加湿器模块带有：水蒸汽可穿透的膜片；布置在膜片两侧的相应限定流场的间隔保持件；和被缝入到膜片中的纱线。

本发明此外涉及一种加湿器和一种用于制造加湿器模块的方法以及一种用于制造加湿器的方法。

背景技术

加湿器一般被使用，以便能够在两种带有不同的湿气含量的气态介质的情况下引起湿气传递到较干燥的介质上。这种气体/气体-加湿器尤其是应用在燃料电池-装置中，在所述燃料电池-装置中，在阴极回路中为了给燃料电池堆叠的阴极空间进行供应将其中包含有氧气的空气压缩，从而存在相对热的且干燥的被压缩的空气，所述被压缩的空气的湿气对于使用在用于膜片电极单元的燃料电池堆叠中而言是不够的。通过压缩机提供的用于燃料电池堆叠的干燥的空气通过如下方式加湿，即，将所述干燥的空气引导经过水蒸汽可穿透的膜片，利用来自燃料电池堆叠的潮湿的废气扫过所述膜片的另一侧。此外，在燃料电池堆叠中不仅在阳极侧而且在阴极侧都积聚液态水，所述液态水必须从燃料电池堆叠中被去除。加湿器，水分离器以及定位在压缩机之后的增压空气冷却器是大的部件，其促成对于燃料电池装置所需的结构空间的强烈增大并且限制燃料电池装置的效率，因为存在高的热损耗。

US 9,806,362 B2公开了一种带有包括膜片的多个加湿器单元的平面加湿器，其中，纱线在周缘侧缝入到膜片的边缘区域中，以便使加湿器单元向外密封。

发明内容

此外，已知如下建议方案：使用一种带有多个加湿器模块的加湿器，所述加湿器模块具有限定流场的接片，通过该接片实现利用与该侧面相关联的介质更均匀地扫过所述膜片。在这种加湿器中，加湿器模块借助于牵拉棒撑紧。加湿器模块在此具有由密封件、流场框架、另一密封件、膜片、另一密封件、另一流场框架以及又一密封件构成的重复的堆叠。这种加湿器模块或由多个这种加湿器模块构建的加湿器的制造是相对耗费的并且由此与高的成本相联系。

因此，本发明的目的是提供一种加湿器模块、一种加湿器、一种用于制造加湿器模块的方法和一种用于制造加湿器的方法，通过它们减少上面提及的缺点。

涉及加湿器模块的目的通过权利要求1的特征实现。涉及加湿器的目的通过根据权利要求8的特征的加湿器实现。涉及用于制造加湿器模块的方法的目的通过权利要求9的特征实现，并且涉及用于制造加湿器的方法的目的通过根据权利要求10的方法实现。带有本发明的适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中说明。

加湿器模块的特征尤其在于，限定流场的间隔保持件通过被缝入到膜片中的纱线形成。通过缝入纱线赋予膜片起支持作用的且尤其起加固作用的骨架结构。纱线可在此在两侧构造流场。由此可省却附加的构件、例如在其他情况下常用的形成为接片的间隔保持件。这实现加湿器模块的成本更适宜的制造并且同时实现重量节省。就此而言尤其设置成，纱线具有0.2mm至4mm的材料厚度或直径且优选具有在0.25mm至3mm之间的材料厚度。纱线必须足够刚性地形成，以便确保加湿器模块中的空气流动并且以便减少加湿器模块内的压力损耗。

纱线在此可在一种可特别简单制造的实施形式中如此引导通过膜片，使得至少一个纱线上部部分布置在膜片的第一侧面上，并且至少一个纱线下部部分布置在膜片的第二侧面上。

就此而言有利的是，纱线或附加的纱线如此引导通过膜片，使得纱线上部部分中的一个或多个纱线上部部分和/或纱线下部部分中的一个或多个纱线下部部分在节点处相互连接。这加强膜片的骨架结构。

在一种备选的实施形式中，纱线形成为面纱，并且附加的纱线形成为底纱，其中，面纱与底纱在一个节点处或多个节点处相互连接或交织。间隔保持件在此优选类似于回针(Steppstich)地形成，即面纱和底纱在节点处相互交织，其方式为，将底纱穿过面纱的面纱线圈。

为了密封加湿器模块并且尤其为了密封流场，优选的是，使纱线和/或附加的纱线由热塑性材料形成，并且为了构造密封件能够借助于热作用将节点中的至少单个节点熔合。尤其有利的是能够借助于热作用将所有节点熔合。

在此，在加湿器模块的一种能特别简单制造的实施形式中，可将附加的纱线如此在纱线上部部分的上方和在纱线下部部分的下方张紧，使得纱线的纱线上部部分的线圈或纱线上部部分在至少一个节点处触碰附加的纱线。在该节点处借助于热作用将纱线优选与附加的纱线熔合。这类似地适用于附加的纱线，所述附加的纱线在至少一个节点处触碰纱线下部部分、即触碰纱线下部部分的线圈。

备选地，纱线或附加的纱线可如此错开地引导通过膜片，使得在纱线的纱线上部部分的两个线圈之间布置有附加的纱线的纱线上部部分的线圈。

在另一实施形式中，在该实施形式中，纱线形成为面纱并且附加的纱线形成为底纱，底纱与通过面纱形成的面纱线圈交织。如此形成的节点或这些节点中的单个节点能够借助于热作用熔合。

尤其有利的是，纱线和附加的纱线具有不同的熔点。如果纱线具有比附加的纱线更低的熔点，则纱线能够从纱线的熔化温度起与附加的纱线熔合，而不使附加的纱线同样熔化。换言之，纱线或所述附加的纱线的熔化温度可如此选择，使得仅两个纱线之一在该温度下开始熔化或发展出粘性特性。所选择的熔化温度在此显然处于膜片材料的熔化温度以下。这类似地适用于如下情况：附加的纱线具有比纱线更低的熔点。

备选地或补充地，纱线之一能够可由-优选非热塑性的-具有灯芯效应的材料形成。换言之，借助于灯芯效应可将液体吸收或抽吸到该纱线中并且由此至少暂时存储在纱线中。引导通过膜片的带有灯芯作用的纱线形成一种在膜片的干燥侧面与潮湿侧面之间的液体桥。

为了还在外周缘侧密封加湿器模块，有利的是，另外的纱线至少部分地在周缘侧缝入到膜片的边缘区域中或施加到边缘区域上。在此，另外的纱线优选由弹性体形成。弹性体可例如包括硅酮或EPDM或由硅酮或EPDM构成，从而通过张紧或撑紧该另外的纱线实现附加的密封作用。

加湿器的特征尤其在于，设置有多个布置在两个端部板之间的加湿器模块。在此，加湿器模块可以是能借助于热作用相互熔合的，从而也实现加湿器模块的向外作用的密封。在加湿器模块的范围内提及的优点在此也可转用于加湿器并且因此根据意义适用于所述加湿器。

用于制造加湿器模块的方法尤其包括以下步骤：

-提供膜片；并且

-将纱线如此缝入到膜片中或将纱线如此施加到膜片上，使得纱线形成限定流场的间隔保持件。

这实现加湿器模块的特别简单的且成本适宜的制造。

就此而言尤其设置成，纱线以多个彼此平行伸延的排缝入到膜片中或以多个彼此平行伸延的排施加到膜片上。

为了密封流场，该方法尤其包括以下步骤：

-借助于热作用将通过连接一个或多个纱线上部部分和/或一个或多个纱线下部部分所产生的节点中的至少单个节点熔合；或

-借助于热作用将通过连接面纱与底纱所产生的节点中的至少单个节点熔合。

为了还在周缘侧密封加湿器模块，所述方法优选包括以下步骤：

-将另外的纱线至少部分地在周缘侧缝入或施加到膜片的边缘区域中。

用于制造加湿器的方法的特征尤其在于以下步骤：

-提供多个加湿器模块；

-通过热作用将加湿器模块相互熔合；

-将多个经熔合的加湿器模块布置在两个端部板之间；并且

-借助于拉杆用端部板将加湿器模块撑紧。

在这种加湿器中，可省却附加的层或部件、如流场框架、密封框架以及附加的密封件。加湿器模块以及还有加湿器由此优选仅由多个膜片构建，纱线缝入到所述膜片中或纱线施加到所述膜片中，以便产生向外或在周缘侧密封的流场。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节由权利要求、下面对优选的实施形式的描述以及依据附图得到。其中：

图1示出加湿器模块的示意性俯视图；

图2以侧视图示出加湿器模块的示意性的第一实施例；

图3以侧视图示出加湿器模块的示意性的第二实施例；

图4以侧视图示出加湿器模块的示意性的第三实施例；

图5以侧视图示出加湿器模块的示意性的第四实施例；以及

图6示出加湿器。

具体实施方式

燃料电池用于产生能量并且尤其可被使用于产生能量以便驱动机动车。在此，优选将多个燃料电池联合成燃料电池堆叠。

燃料电池中的每个燃料电池包括阳极、阴极以及将阳极与阴极隔开的、可传导质子的聚合物-膜片。聚合物-膜片由离子聚合物、优选磺化的四氟乙烯-聚合物(PTFE)或全氟磺酸的聚合物(PFSA)形成。备选地，聚合物膜片也可形成为碳氢化合物膜片。

阳极和/或阴极可附加地混合有催化剂，其中，膜片优选在其第一侧面上和/或在其第二侧面上用由贵金属或包括贵金属的混合物构成的催化剂层涂覆，所述贵金属例如是铂、钯、钌等，所述贵金属用作在相应的燃料电池反应时的反应加速器。

经由阳极空间可给阳极供应燃料(例如氢)。在聚合物电解质膜片燃料电池(PEM-燃料电池)中，在阳极处燃料或燃料分子分裂成质子和电子。PEM允许质子穿过，但对于电子是不可穿透的。在阳极处例如发生反应：2H₂→4H⁺+4e^-(氧化/放出电子)。质子穿过PEM至阴极，而电子经由外部的电路导引给阴极或蓄能器。

经由阴极空间可给阴极供应阴极气体(例如氧气或包含氧气的空气)，从而在阴极侧发生以下反应：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(还原/吸收电子)。

为了确保针对氢质子穿过PEM的离子可传导性，在PEM中需要存在水分子。因此在将阴极气体供应给燃料电池之前，尤其对阴极气体进行加湿，以便导致PEM的湿度饱和。

由于在燃料电池堆叠中联合多个燃料电池，必须提供足够大的阴极气体量，从而通过压缩机提供大的阴极气体质量流，其中，由于阴极气体的压缩，该阴极气体的温度强烈提高。阴极气体的调节、即阴极气体关于在燃料电池堆叠中期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。

作为实施例在图6中示出的加湿器4具有两个端部板5，在所述两个端部板之间布置有多个加湿器模块6，其中，加湿器模块6通过拉杆7撑紧在端部板5之间。同样可以设想替代拉杆7通过利用例如带实现端部板5的另一种连接。

在所示出的实施例中，为了图示的简单性，用于供应和排出两种介质的介质接头8与端部板5之一相关联，其中，对于燃料电池装置的情况这两种介质仅关于其湿气含量方面有区别，但在物质方面通常存在空气。但一般存在如下可能性：用于介质之一的介质接头8共同地布置在端部板5之一上或分开地布置在两个端部板5上，而用于另一种介质的介质接头8共同地布置在和用于第一介质的介质接头8一样或不一样的端部板上或分开地布置在这两个端部板5上，其中用于供应和排出的介质接头8的相对于第一介质的关联颠倒，即串联布置的加湿器模块6关于一种介质可以被U形或Z形地穿流，而在共同观察这两种介质的情况下也可实现对流或交叉对流。

在图1中示出单个加湿器模块6的构造。在此，在膜片9的两侧相应布置有通过间隔保持件11限定的流场。间隔保持件11在此通过被缝入到膜片9中的纱线13形成，该纱线赋予膜片9一种骨架结构。在图1中彼此平行伸延的多排纱线13缝入到膜片9中，所述纱线形成限定流场的间隔保持件11。

此外，在周缘侧将另外的纱线22缝入到膜片9的边缘区域23中或施加到边缘区域23上。这实现加湿器模块6的周缘侧的密封。尤其当该另外的纱线22形成为弹性体时，在拉紧或撑紧该另外的纱线22时实现这种附加的密封作用。

在图2至5中示出被缝入到膜片9中的或被施加到膜片9上的纱线13的不同实施例。在图3中，纱线13在此被如此引导通过膜片9，使得至少一个纱线上部部分14布置在膜片9的第一侧面16上，而至少一个纱线下部部分15布置在膜片9的第二侧面17上。纱线上部部分14和纱线下部部分15由此形成为多个线圈。流场布置在纱线上部部分14与纱线下部部分15之间，从而纱线上部部分14和纱线下部部分15相应形成间隔保持件11。

图3示出另一实施例，在该实施例中流场被附加地密封。为此，将附加的纱线18如此放置到纱线上部部分14和纱线下部部分15上，使得附加的纱线18至少区段式地安置在纱线13上，或安置在纱线上部部分14或纱线下部部分15上。在这些形成为安置点的节点19处，当附加的纱线18或纱线13或者两者由热塑性材料形成时，附加的纱线18可借助于热作用与纱线13熔合。在此，附加的纱线18优选具有比纱线13更低的熔点。至少附加的纱线18在此形成为热塑性塑料。由合成材料或由棉花或由大麻或由羊毛等形成的纱线13具有灯芯作用，从而来自流场的液体可通过纱线13吸收并且至少暂时地存储在该纱线中，其中，通过纱线13的灯芯效应促进液体从膜片9的潮湿侧面运输至膜片9的干燥侧面。引导通过膜片9的带有灯芯效应的纱线13因而在穿过膜片9的每个穿通部处构造液体桥。

图4示出另一实施例，该实施例与前述实施例的区别在于：附加的纱线18同样缝入到膜片9中并且由此如此引导通过膜片9，使得纱线上部部分14中的一个或多个纱线上部部分和/或纱线下部部分15中的一个或多个纱线下部部分在节点19处相互连接。这些节点19或节点19中的单个节点可借助于热作用相互熔合，以便将流场密封。

图5示出加湿器模块6的另一实施例，其中，纱线13形成为面纱20，而附加的纱线18形成为底纱21。面纱20和底纱21如在回针中那样缝制到膜片9中，从而面纱20的面纱线圈与底纱21交织成节点19。这些节点19又可借助于热作用熔合，以便实现附加的密封作用。

用于制造加湿器模块6的方法尤其包括以下步骤：首先提供膜片9。将纱线13如此缝入到膜片9中，使得纱线13形成限定流场的至少两个间隔保持件11。备选地，纱线13可如此施加到膜片6上，使得纱线13形成限定流场的至少两个间隔保持件11。所述施加可例如借助于3D打印方法实现。

将纱线13缝入到膜片9中或将纱线13施加到膜片9上在此以多个彼此平行伸延的排来实现。这实现：产生特别大的流场。此外可以为了实现密封作用而将纱线上部部分14和纱线下部部分15在节点19处与附加的纱线18熔合。备选地，也可借助于热作用熔合通过面纱20与底纱21的交织所产生的节点19。

备选地或附加地，可至少区段式地在周缘侧将另外的纱线22缝入到膜片9的边缘区域23中。这实现加湿器模块6的附加的在外周缘侧的密封。

用于制造加湿器4的方法尤其包括以下步骤：首先提供多个加湿器模块6。借助于热作用将加湿器模块6相互熔合。由此加湿器模块6向外密封。此外，将多个相互熔合的加湿器模块6布置在两个端部板5之间。最后借助于拉杆7用端部板5将加湿器模块撑紧。要指出的是，节点19或各个纱线13,18,22的熔合也可通过单单撑紧端部板来引起。这因而相应于纱线13,18,22或通过这些纱线形成的节点19的冷成型。

附图标记列表:

1 燃料电池装置

4 加湿器

5 端部板

6 加湿器模块

7 拉杆

8 介质接头

9 膜片

11 间隔保持件

13 纱线

14 纱线上部部分

15 纱线下部部分

16 第一侧面

17 第二侧面

18 附加的纱线

19 节点

20 面纱

21 底纱

22 另外的纱线

23 边缘区域。

Claims (10)

1.一种加湿器模块(6)，带有：水蒸汽可穿透的膜片(9)；布置在所述膜片(9)两侧的相应限定流场的间隔保持件(11)；和被缝入到所述膜片(9)中的纱线(13)，其特征在于，限定所述流场的所述间隔保持件(11)通过被缝入到所述膜片(9)中的所述纱线(13)形成。

2.根据权利要求1所述的加湿器模块(6)，其特征在于，所述纱线(13)如此引导通过所述膜片(9)，使得至少一个纱线上部部分(14)布置在所述膜片(9)的第一侧面(16)上，并且至少一个纱线下部部分(15)布置在所述膜片(9)的第二侧面(17)上。

3.根据权利要求2所述的加湿器模块(6)，其特征在于，所述纱线(13)或附加的纱线(18)如此引导通过所述膜片(9)，使得所述纱线上部部分(14)中的一个或多个纱线上部部分和/或所述纱线下部部分(15)中的一个或多个纱线下部部分在节点(19)处相互连接。

4.根据权利要求1所述的加湿器模块(6)，其特征在于，所述纱线(13)形成为面纱(20)，附加的纱线(18)形成为底纱(21)，并且所述面纱(20)与所述底纱(21)在至少一个节点(19)处相互连接或交织。

5.根据权利要求3或4所述的加湿器模块(6)，其特征在于，所述纱线(13)和/或所述附加的纱线(18)由热塑性材料形成，并且为了构造密封件，能够借助于热作用将所述节点(19)中的至少单个节点熔合。

6.根据权利要求5所述的加湿器模块(6)，其特征在于，所述纱线(13)和所述附加的纱线(18)具有不同的熔点。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的加湿器模块(6)，其特征在于，另外的纱线(22)至少部分地在周缘侧缝入到所述膜片(9)的边缘区域(23)中或施加到所述边缘区域(23)上。

8.一种加湿器(4)，所述加湿器带有多个布置在两个端部板(5)之间的根据权利要求1至7中任一项所述的加湿器模块(6)。

9. 一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的加湿器模块(6)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供膜片(9)；并且

-将纱线(13)如此缝入到所述膜片中或将纱线(13)如此施加到所述膜片(9)上，使得所述纱线(13)形成限定流场的间隔保持件(11)。

10.一种用于制造根据权利要求8所述的加湿器(4)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供多个加湿器模块(6)；

-通过热作用将所述加湿器模块(6)相互熔合；

-将多个经熔合的加湿器模块(6)布置在两个端部板(5)之间；并且

-借助于拉杆(7)用所述端部板(5)将所述加湿器模块(6)撑紧。

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