濕度交換器以及具有這種濕度交換器的燃料電池組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在兩種氣體之間的濕度傳遞的濕度交換器(10)，其帶有多個中空纖維膜片(12)。其特征在于，設置成，濕度交換器(10)包括至少一個分離壁(34)，其布置在中空纖維膜片(12)之間并且多個中空纖維膜片(12)至少在其縱向延伸的部分區(qū)域(36)中分割成并聯(lián)的區(qū)域(38)。此外，本發(fā)明涉及一種帶有這種濕度交換器(10)的燃料電池組件(50)。
【專利說明】
濕度交換器以及具有這種濕度交換器的燃料電池組件
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在兩種氣體之間的濕度傳遞的濕度交換器，其帶有多個中空纖維膜片。此外，本發(fā)明涉及一種帶有這種濕度交換器的燃料電池組件。
【背景技術】
[0002]燃料電池利用帶有氧氣的燃料到水的化學轉換來產生電能。為此，燃料電池作為核心組件包含所謂的膜片電極單元(MEA即membrane electrode assembly)，其是由傳導質子的膜片和分別兩側地布置在膜片處的電極(陽極和陰極)構成的復合物。此外，氣體擴散層(GDL)可在膜片電極單元兩側布置在電極的背對膜片的側處。通常，燃料電池通過多個、布置在堆垛(英文:stack)中的其電功率累加的多個MEA形成。在燃料電池運行時，將燃料、尤其氫氣H2或含氫的氣體混合物輸送給陽極，在給出電子的情況下在該處發(fā)生從H2到H+的電化學氧化。經由使反應空間氣密地相互分離且電絕緣的電解質或膜片，(水合地或無水地)實現(xiàn)H+質子從陽極空間到陰極空間中的輸送。在陽極處提供的電子經由電導線供給給陰極。將氧氣或含氧的氣體混合物輸送給陰極，從而在吸收電子的情況下發(fā)生O2到02—的還原。同時，在陰極空間中，氧離子與經由膜片輸送的質子在形成水的情況下反應。通過直接從化學能轉化成電能，相對于其它能量轉換器，燃料電池由于避開了卡諾因數(shù)而得到在低的過程溫度下更高的效率。
[0003]目前最為先進的燃料電池技術以聚合物電解質膜片(PEM)為基礎，在其中，膜片自身由聚合物電解質組成。在此，常常使用酸改性的聚合物、尤其全氟化的聚合物。這種類型的聚合物電解質的最為廣泛的代表是由硫化的聚四氟乙烯共聚物構成的膜片(商品名稱:Naf1n;由四氟乙烯和全氟烷基乙烯醚的磺酰酸氟化物衍生物組成的共聚物)。在此，經由水合的質子進行電解的引導，因此水的存在是質子傳導能力的條件，并且在PEM燃料電池運行時需要使運行氣體濕潤。由于水的必要性，在標準壓力下該燃料電池的最高運行溫度限制在100°C以下。與高溫聚合物電解質膜片燃料電池(HT-PEM-燃料電池)區(qū)別開，所述燃料電池類型也被稱為低溫聚合物電解質膜片燃料電池(NT-PEM-燃料電池)，高溫聚合物電解質膜片燃料電池的電解傳導能力以通過靜電復雜化合結合在聚合物電解質膜片的聚合物構架處的電解質為基礎(例如添加磷酸的聚苯并咪唑(PBI)膜片)并且在160 °C的溫度下運行。
[0004]文件DE 10 2004 022 310 B4公開了一種帶有布置成束的中空纖維膜片的濕度交換模塊。穿孔的管在軸向方向上在一束的中心伸延通過該束，該管在其軸向擴展的中間利用阻斷元件(Sperrelement)封閉。束的設置在中空纖維膜片之間的空腔也在該束的軸向擴展的中心利用阻斷元件封閉。在運行中，燃料電池的潮濕的廢氣流動穿過單個的中空纖維膜片。被輸送給燃料電池的待加濕的空氣經由其端部中的一個流入管中，在阻斷元件前面經由穿孔部離開管并且部分徑向地且部分軸向向外流動穿過該束的空腔。緊接著，待加濕的空氣流動環(huán)繞該束中的阻斷元件并且又部分徑向地、部分軸向地通過空腔在阻斷元件的另一側上流向管的穿孔部。由此，實現(xiàn)了濕度交換器的交叉流與對流的混合。
[0005]文件DE 10 2008 028 832 Al公開了一種加濕器，其包括中空纖維，該中空纖維布置在層中并且通過粘合劑固定，粘合劑布置在層上的多個軌跡中。在此，這些軌跡橫向于中空纖維取向。通過該軌跡實現(xiàn)迷宮式的流動引導。
[0006]此外，根據(jù)圖1已知帶有多個中空纖維12的濕度交換器10，其根據(jù)交叉流原理設計。在濕度交換器10運行時，待除濕的氣體14流入中空纖維12的敞開的端部13中并且流動穿過中空纖維12。經除濕的氣體16從相同的中空纖維12的相對而置的敞開的端部13流出中空纖維12。待加濕的氣體18流入入口收集器(Einlasssammler)20中，并且在中空纖維12的長度和寬度上分布在入口收集器20中，從此處開始，待加濕的氣體18流動環(huán)繞中空纖維12的外表面直至出口收集器22。緊接著，經加濕的氣體24經由出口收集器22離開濕度交換器10。

【發(fā)明內容】

[0007]現(xiàn)在，本發(fā)明目的在于提供帶有更高效率的濕度交換器以供使用。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于在兩種氣體之間傳遞濕度的帶有多個中空纖維膜片的濕度交換器以供使用。其特征在于，設置成，濕度交換器包括至少一個分離壁，其布置在中空纖維膜片之間并且多個中空纖維膜片至少在其縱向延伸的部分區(qū)域中分割成并聯(lián)的區(qū)域。
[0009]通過將至少一個分離壁布置在中空纖維膜片之間且多個中空纖維膜片至少在其縱向延伸的部分區(qū)域中分割成并聯(lián)的區(qū)域來在該部分區(qū)域中基本上通過至少一個分離壁規(guī)定在中空纖維膜片的外表面處的在運行中出現(xiàn)的流動的主流動方向。由此，可以簡單的方式實現(xiàn)可根據(jù)對流原理運行的濕度交換器。與熱交換器器相似地來理解對流原理，即通過在中空纖維膜片的內部中的空腔的流動的主流動方向與在中空纖維膜片的外表面處的流動的主流動方向相反地定向。通過對流原理提高了濕度交換器的效率，由此其可更緊湊地來實施。
[0010]通過在中空纖維膜片的內部中的空腔的流動和在中空纖維膜片的外表面處的流動典型地為氣體流動，其中，氣體流動中的一個具有比另一個更高的水(水蒸氣)濃度。中空纖維膜片是可滲透水的膜片。由此，中空纖維膜片可理解成圓柱形的纖維，其在橫截面中具有連續(xù)的通道，該通道使中空纖維膜片的內部空腔與中空纖維膜片的外表面相連接。
[0011]優(yōu)選地，多個中空纖維膜片布置成方向相同。也就是說，中空纖維膜片可布置成束或垛。換言之，中空纖維膜片可布置成纖維疊(Faserpaket)。通過方向相同的布置方案，在中空纖維膜片之內的空腔中以及在中空纖維膜片之間的空腔中得到有利的流動情況。
[0012]在本發(fā)明的優(yōu)選的設計方案中設置成，至少一個分離壁使并聯(lián)的區(qū)域在部分區(qū)域中氣密地相互分離。由此，防止了在并聯(lián)的區(qū)域之間的任意橫向流動并且在部分區(qū)域中實現(xiàn)了純粹的對流濕度交換器。
[0013]在本發(fā)明的優(yōu)選的設計方案中，設置成，濕度交換器具有尤其地布置在多個中空纖維膜片側向的進入部和/或尤其地布置在多個中空纖維膜片側向的離開部以用于利用氣體加載中空纖維膜片的外表面。由此，進入部和/或離開部在流動技術上與中空纖維膜片的外表面相連接。通過將進入部和/或離開部布置在多個中空纖維膜片側向，可在減小材料消耗的同時實現(xiàn)濕度交換器的緊湊的外部尺寸。
[0014]優(yōu)選地設置成，并聯(lián)的區(qū)域并排布置成列，其中，優(yōu)選地側向的進入部和/或側向的離開部布置在該列的一端部處。通過該設計方案保證，例如從進入部開始，圍繞中空纖維膜片的外表面的流動先后到達并聯(lián)的區(qū)域。由此，借助于至少一個分離壁實現(xiàn)尤其有效的對流濕度交換器，在其中，借助于分離壁此外可尤其簡單地防止或至少減小在外表面的環(huán)流中的死區(qū)。
[0015]優(yōu)選地設置成，側向的進入部和側向的離開部布置在一列的相對的端部處。由此，進入部和離開部也布置在多個中空纖維膜片的相對的側上。由此，流動通過并聯(lián)的區(qū)域經過相同的路程，從而使并聯(lián)的區(qū)域在流動技術上等同。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案設置成，可被流動穿過的橫截面從側向的進入部和/或側向的離開部開始朝向由進入部和/或離開部最遠地遠離的并聯(lián)區(qū)域越來越多地減小。優(yōu)選地，由此橫截面積的值從進入部和/或離開部開始朝向在最遠地遠離的并聯(lián)的區(qū)域(嚴格)單調下降。通過該設計方案保證，使進入部和/或離開部與并聯(lián)的區(qū)域相連接的可被流動穿過的橫截面相應于體積流被匹配。由此，可保證在進入部和/或離開部與并聯(lián)的區(qū)域之間的流動速度盡可能保持恒定，由此減小損失。
[0017]在本發(fā)明的另外優(yōu)選的設計方案中，設置成，側向的進入部和側向的離開部布置在多個中空纖維膜片的縱向延伸的相對而置的端部處。由此，中空纖維膜片的長度被最優(yōu)地用于濕度交換。
[0018]優(yōu)選地，至少一個分離壁在中空纖維膜片的縱向延伸方向上布置在側向的進入部和側向的離開部之間。由此，避免了流動偏轉且由此減小了壓力損失。
[0019]優(yōu)選地設置成，濕度交換器在進入部和/或離開部與中空纖維膜片之間相應地具有收集器。該收集器在多個中空纖維膜片的縱向延伸的方向上優(yōu)選地最大地具有進入部和/或離開部的擴展。此外，收集器的擴展也可超過進入部和/或離開部在多個中空纖維膜片的縱向延伸的方向上的擴展最大100%、尤其地最大50%、優(yōu)選地最大25%。此外，收集器優(yōu)選地在多個中空纖維膜片的整個寬度上延伸。由此可使待加濕的氣體分布在濕度交換器的整個寬度上，且可使得該待加濕的氣體環(huán)流中空纖維膜片的整個長度。
[0020]此外，提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的濕度交換器的燃料電池組件以供使用。由于濕度交換器的高的效率，該燃料電池組件的特征尤其在于其緊湊的結構。
[0021]優(yōu)選地設置成，濕度交換器的多個中空纖維膜片的外表面與燃料電池組件的燃料電池的陰極輸入部和陰極輸出部在流動技術上連接成使得濕度交換器可作為對流濕度交換器運行。由此，在燃料電池運行時，借助于濕度交換器從燃料電池的廢氣中提取在燃料電池反應中產生的水并且將其輸送給新鮮空氣流。由此，保證了燃料電池的膜片的充分加濕。通過濕度交換器作為對流濕度交換器的運行，實現(xiàn)了最優(yōu)的效率。
[0022]由其它在從屬權利要求中所述的特征得到本發(fā)明的其它優(yōu)選的設計方案。
[0023]本發(fā)明的不同的在該申請文件中所述的實施形式可有利地相互組合，只要沒有另外說明。
【附圖說明】
[0024]接下來根據(jù)從屬的附圖以實施例闡述本發(fā)明。其中:
圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術的濕度交換器； 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的濕度交換器的內部結構；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的濕度交換器；
圖4顯示了另一根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的濕度交換器;以及圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的燃料電池組件。
[0025]附圖標記清單10濕度交換器
12中空纖維膜片
13中空纖維膜片的敞開的端部
14待除濕的氣體
15中空纖維膜片的外表面
16經除濕的氣體
18待加濕的氣體
20入口收集器
22出口收集器
24經加濕的氣體
26殼體框架
28殼體蓋
29殼體
30進入部
32離開部
34分離壁
36多個中空纖維膜片的縱向延伸的部分區(qū)域 38并聯(lián)的區(qū)域 39可被流動穿過的橫截面 40死區(qū)
42實際主流動方向 50燃料電池組件 52燃料電池 54陰極側 56陽極側 58陰極輸入部 60陽極輸出部。
【具體實施方式】
[0026]已經就現(xiàn)有技術詳細探討了圖1。
[0027]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的濕度交換器10的內部結構。多個中空纖維膜片12可以布置成纖維疊的方式例如被注入作為殼體29的一部分的殼體框架26中。中空纖維膜片12在其兩個端部處分別具有敞開的端部13，其被引導穿過殼體框架26。此外，中空纖維膜片12具有外表面15，該外表面15借助于未示出的通道與布置在敞開的端部13之間的在中空纖維膜片12的內部中的空腔相連接。通過該通道，在濕度交換器10運行時，水(H2O)穿過中空纖維膜片12走向其外表面15處。水來自待除濕的氣體14，其被傳遞到待加濕的氣體18上。
[0028]圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的設計方案的濕度交換器10。從圖2中已知的殼體框架26可利用殼體蓋部28向上和向下封閉，殼體蓋部28具有布置在多個中空纖維膜片12側向的進入部30和/或布置在多個中空纖維膜片12側向的離開部32以用于加載中空纖維膜片12的外表面15。由此，中空纖維膜片12的外表面15位于直至封閉到進入部30和離開部32上的殼體29中，殼體29包括殼體框架26和殼體蓋部28。為了簡化圖示，在圖3中的殼體部分透明地被示出。進入部30和離開部32在其最簡單的設計方案中是在殼體29的壁中的連續(xù)的孔。此外，進入部30和/或離開部32還可構造成，使得待加濕的氣體18分布在多個中空纖維膜片12的整個寬度上，和/或經加濕的氣體24匯集在多個中空纖維膜片12的整個寬度上。
[0029]在圖3中可看出根據(jù)本發(fā)明的分離壁34，其布置在中空纖維膜片12之間。分離壁34將多個中空纖維膜片12至少在其縱向延伸的部分區(qū)域36中分割成并聯(lián)的區(qū)域38。此外，分離壁36在其整個寬度上分割多個中空纖維膜片12。在該示例中，分離壁34從殼體29的一側延伸直至殼體29的相對的一側并且氣密地來實施。由此，并聯(lián)的區(qū)域38在部分區(qū)域36中借助于分離壁34彼此氣密地分離。分離壁34可被注塑到殼體中、尤其地殼體框架26中，殼體框架26例如由人造樹脂形成。
[0030]可看出，并聯(lián)的區(qū)域38并排布置成列，其中，側向的進入部30和側向離開部32布置在該列的相對而置的端部上。此外可看出，側向的進入部30和側向的離開部32布置在多個中空纖維膜片12的縱向延伸的相對的端部處。此外，分離壁34布置在側向的進入部30和側向的離開部32之間。
[0031]與不帶有分離壁34的濕度交換器相比較，通過該分離壁34有效減小了流動技術上的死區(qū)40(即，僅僅難以或者完全無法流動穿過的區(qū)域)。
[0032]在圖4中，還可更準確地看出根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)選的設計方案的濕度交換器10的內部結構?？稍趫D4中看出的濕度交換器1與在圖3中的濕度交換器的區(qū)別在于，彼此錯位地布置分離壁34。該錯位布置成使得可被流動穿過的橫截面39從側向的進入部30開始朝向由進入部30最遠地遠離的并聯(lián)區(qū)域38越來越多地減小。此外，可被流動穿過的橫截面39也從側向的離開部32開始朝向由離開部32最遠地遠離的并聯(lián)區(qū)域38越來越多地減小。通過該設計方案，可進一步減小死區(qū)40，因為距離死區(qū)40最近的分離壁34可進一步被引導到死區(qū)40處。在圖2和4中示出的中空纖維膜片15也可具有松弛的波形的走向。
[0033]圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的設計方案的燃料電池組件50。該燃料電池組件50包括燃料電池52，其具有陰極側54和陽極側56。中空纖維膜片12的外表面15與燃料電池52的陰極輸入部58相連接，并且中空纖維膜片12的敞開的端部13與燃料電池52的陰極輸出部60在流體技術上相連接。燃料電池組件52可用于為驅動未示出的車輛的電動機供給電流。
[0034]接下來應根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的設計方案闡述濕度交換器10和燃料電池組件50的工作原理。
[0035]在運行時，燃料電池52經由陽極側56被供給燃料，例如氫氣。經由陰極側54為燃料電池52輸送新鮮空氣(反應空氣)。為了保護燃料電池52的聚合物電介質膜片(PEM)不會脫水，為被輸送的新鮮空氣加濕。這借助于濕度交換器10實現(xiàn)，濕度交換器10從燃料電池52的廢氣流、即待除濕的氣體14中提取濕氣并且將濕氣輸送給新鮮空氣流、即待加濕的氣體18。在廢氣流中存在的濕氣在此來自燃料電池反應并且借助于濕度交換器10又輸送給燃料電池52 ο
[0036]借助于濕度交換器10，通過待除濕的氣體14通過在中空纖維膜片12的一個端部處的敞開的端部13流入，流動穿過中空纖維膜片12并且通過在中空纖維膜片12的另一端部處的敞開的端部13作為經除濕的氣體16離開來實現(xiàn)濕度傳遞。在中空纖維膜片12之內，濕氣通過毛細管冷凝在通道中冷凝，通道使外表面15與中空纖維膜片12的內部空腔相連接。待加濕的氣體18進到進入部30中并且流動環(huán)繞中空纖維膜片12的外表面15。在流動環(huán)繞外表面時，在通道中冷凝的濕氣蒸發(fā)，且被流動帶走。同時，冷凝的水氣密地封閉通道。經加濕的氣體24經由離開部32離開濕度交換器10并且由此被輸送給燃料電池52。
[0037]根據(jù)圖3和4的濕度交換器10相對于至今已知的濕度交換器(例如根據(jù)圖1)的區(qū)別在于，現(xiàn)在，借助于根據(jù)本發(fā)明布置的分離壁34實現(xiàn)根據(jù)對流原理的運行。為了該目的，在并聯(lián)的區(qū)域38中，在中空纖維膜片12之外的待加濕的氣體18的主流動方向與在中空纖維膜片12之內的待除濕的氣體14的主流動方向相反地定向。
[0038]兩種氣體14，18的流動引導對兩種氣體14，18的水含量的濃度差有決定性影響，該濃度差存在于中空纖維膜片12的膜片上。相對于至今為止實現(xiàn)的根據(jù)圖1的交叉流動引導，現(xiàn)在對流引導提供的優(yōu)點是，在兩種氣體14，18之間的濃度差與在濕度交換器10中的位置無關地近似恒定，而在交叉電流引導中該濃度差隨著水交換的增加而減小。此外，根據(jù)圖1的濕度交換器10具有在進入部和離開部之間中間的在中空纖維膜片12之外的主流動方向42，其帶來的缺點是，外表面15的相對大的部分區(qū)域不被環(huán)流并且由此產生相對大的死區(qū)40 ο
[0039]借助于根據(jù)本發(fā)明的至少一個作為多個中空纖維膜片12的分割部分起作用的分離壁34，一方面減小了死區(qū)40(即中空纖維膜片12的未被利用的部分)，并且另一方面使流動取向成使得在濕度交換器10中出現(xiàn)對流引導。
【主權項】
1.一種用于在兩種氣體(14，18)之間的濕度傳遞的濕度交換器(10)，其帶有多個中空纖維膜片(12)，其特征在于，所述濕度交換器(10)包括至少一個分離壁(34)，其布置在所述中空纖維膜片(12)之間且所述多個中空纖維膜片至少在其縱向延伸的部分區(qū)域(36)中分割成并聯(lián)的區(qū)域(38)。2.根據(jù)權利要求1所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述濕度交換器(10)具有布置在所述多個中空纖維膜片(12)側向的進入部(30)和/或布置在所述多個中空纖維膜片(12)側向的離開部(32)以用于利用氣體(18)加載所述中空纖維膜片(12)的外表面(15)。3.根據(jù)權利要求2所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述并聯(lián)的區(qū)域(38)并排布置成列，其中，所述側向的進入部(30)和/或所述側向的離開部(32)布置在所述列的一端部處。4.根據(jù)權利要求3所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述側向的進入部(30)和所述側向的離開部(32)布置在所述列的相對而置的端部處。5.根據(jù)權利要求3或4中任一項所述的濕度交換器(10)，其特征在于，能被流動穿過的橫截面(39)從所述側向的進入部(30)和/或所述側向的離開部(32)開始朝向由所述進入部(30)和/或所述離開部(32)最為遠離的并聯(lián)的區(qū)域(36)越來越多地減小。6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述側向的進入部(30)和所述側向的離開部(32)布置在多個中空纖維膜片(12)的縱向延伸的相對而置的端部處。7.根據(jù)權利要求6所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述至少一個分離壁(34)在所述中空纖維膜片(I 2)的縱向延伸方向上布置在所述側向的進入部(30)與所述側向的離開部(32)之間。8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的濕度交換器(10)，其特征在于，所述至少一個分離壁(34)使所述并聯(lián)的區(qū)域(38)在所述部分區(qū)域(36)中氣密地相互分離。9.一種燃料電池組件(50)，其包括根據(jù)前述權利要求中任一項所述的濕度交換器(1)010.根據(jù)權利要求9所述的燃料電池組件(50)，其特征在于，所述濕度交換器(10)的多個中空纖維膜片(12)的外表面(15)與所述燃料電池組件(50)的燃料電池(52)的陰極輸入部(58)和陰極輸出部(60)在流動技術上連接成使所述濕度交換器(10)能作為對流濕度交換器來運行。
【文檔編號】F24F6/04GK105917508SQ201480073918
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年12月18日
【發(fā)明人】R.施特克
【申請人】大眾汽車有限公司