加湿器、带有加湿器的燃料电池装置以及机动车的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池装置的加湿器，带有可渗透水蒸气的膜和布置在膜的一侧上的至少一个流动区，其中流动通道通过流动区桥接部分开，其中流动区桥接部被实施为中空桥接部用于结合到冷却剂回路中。本发明还涉及一种燃料电池装置和一种机动车。


背景技术：

2.一般情况下加湿器被使用，以便在两种带有不同含水量的气态介质的情况下能够促使湿度传递到较干燥的介质上。这种气体/气体加湿器尤其地在燃料电池装置中使用，其中在阴极回路中为供给燃料电池堆叠的阴极空间，空气与其中包含的氧气被压缩，从而存在相对热和干燥的压缩空气，其湿度不足以用于使用在针对膜电极单元的燃料电池堆叠中。通过压缩机为燃料电池堆叠提供的干燥空气通过其被引导经过对水蒸气而言可透过的膜被加湿，该膜的另一侧利用从燃料电池堆叠中的湿润的排出空气掠过。为调节供应给燃料电池堆叠的阴极空间的空气，其调温也是必要的，为此通常使用位于压缩机之后的增压空气冷却器。加湿器和增压空气冷却器是大型部件，其有助于急剧增加针对燃料电池装置必要的结构空间，并且由于存在高的热损失而限制了燃料电池装置的效率。
3.在de 10 2013 004 799 a1中描述了一种带有专利权利要求1的前序部分的特征的加湿器，其中在可渗透水蒸气的膜的情况中在第一侧上可找到第一层组件，其包括多个平行于膜延伸的流动桥接部，而第二层组件存在于膜的第二侧上，其也包括多个平行于膜延伸的流动桥接部，其限制流动通道。第二流动层的流动桥接部的至少一部分构造为带有多个以桥接部宽度的局部扩大的形式的稳定部位。
4.在us 2008/0075993 a1中描述了一种带有孔的双极板，其被膜覆盖并且它选择性地允许穿过膜并加湿反应气体。
5.在de 10 2015 122 144 a1中提供了一种带有集成水分离器的加湿器，其中多个单独的分离元件布置在膜的第一侧上。


技术实现要素：

6.本发明的任务是，创造一种带有改进的效率的加湿器以及改进的燃料电池装置和改进的机动车。
7.该任务通过带有权利要求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的特征的机动车解决。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给出。
8.根据本发明的加湿器通过以下方式出众，流动区桥接部实施为中空桥接部以用于结合到冷却剂回路中，因此开辟了能够向流动区或在流动通道中流动的介质供应热量的可能性，以便一方面促进液态水的蒸发，且另一方面克服在液态水蒸发时的温度下降。
9.为提供大的用于热传递的表面设置成，中空桥接部在横截面方面设计为多边形。
流动区桥接部由导热材料形成也用于促进热传递。
10.另外的优点通过以下方式产生，即流动区桥接部在其外侧上具有蓄水器，因为由此不连续地产生的液态水可被储存，以用于当存在不引入液态水的运行状态时输出。
11.已证明为适宜的是，蓄水器由吸湿的材料形成。补充地或也备选地，还存在流动区桥接部具有多孔结构的可能性。同样地，水可储存在孔中。
12.流动区布置在隔热框架中也用于在流动通道中通过传导的介质的更好的调温。
13.在相同部件为了成本适宜的制造的使用和结构的简单性以及加湿的效率方面有利的是，在膜的与流动区相对侧上布置有类似地形成的第二流动区以用于待加湿的气体的通过传导。
14.如果加湿器与燃料电池装置相关联，冷却回路已经供使用，从而适宜地燃料电池堆叠的冷却回路引导通过加湿器的形成为中空桥接部的流动区桥接部。此外也存在这样的可能性，即流动通道与燃料电池堆叠的水分离器流动连接，以便由此具备液态水的源。
15.带有这样的燃料电池装置的机动车具有更少的结构空间需求并且能够更高效地运行。
16.上面在说明书中提及的特征和特征组合以及下面在附图说明中提及的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅能够以分别给出的组合使用，而且能够以其它组合或单独地使用，而不离开本发明的范围。由此，在附图中未明确示出或阐释但通过单独的特征组合由所阐释的阐述内容得出和可产生的阐述内容也应视为被本发明包括和公开。
附图说明
17.本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、下面对优选的实施方式的描述以及根据附图得出。在此：图1示出具有加湿器的燃料电池装置的示意性示图，图2示出加湿器的具有通过桥接部分离的冷却剂通道的流动区的示意性示图，带有与桥接部相关联的，示出为空的蓄水器，图3示出通过图2中的流动区的截面图，图4示出与图2相应的带有示出为满的蓄水器的示图，图5示出与图3相应的对图4中的流动区的示图，图6示出与图3相应的带有修改的桥接部的备选的实施形式的示图，并且图7示出与图5相应的图6中的备选的实施形式的示图。
具体实施方式
18.在图1中示意性地显示燃料电池装置，其中其包括用于多个在燃料电池堆叠3中联合的燃料电池4的湿度调节的加湿器。
19.每个燃料电池4包括阳极，阴极以及将阳极从阴极分开的、能够传导质子的膜。该膜由离子聚合物、优选磺化的聚四氟乙烯-聚合物(ptfe)或全氟磺酸聚合物(pfsa)构成。备选地，膜也可构成为磺化的碳氢化合物膜。
20.阳极和/或阴极可附加地混合有催化剂，其中所述膜优选地在其第一侧上和/或在其第二侧上利用由贵金属或包括贵金属如铂、钯、钌或类似物的混合物构成的催化剂涂层
覆层，所述催化剂涂层用作在相应的燃料电池反应时的反应加速器。
21.经由阳极空间可将燃料(例如氢)供应给阳极。在聚合物电解质膜燃料电池(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。该pem能够让质子穿过，但对于电子是不可透过的。在阳极处进行例如如下反应：(氧化/放出电子)。在质子穿过pem至阴极期间，电子经由外部的电路传导给阴极或储能器。
22.经由阴极空间阴极气体(例如氧气或包含氧气的空气)可供应给阴极，从而阴极侧发生以下反应：(还原/电子接收)。
23.因为多个燃料电池4在燃料电池堆叠3中联合，必须提供足够大量的阴极气体，从而通过压缩机5提供大的阴极气体质量流或新鲜气体流，其中由于阴极气体的压缩其温度急剧升高。阴极气体或新鲜空气气体流的调节，即其关于燃料电池堆叠中所期望的温度和湿度的设定，在后置于压缩机5的未进一步示出的增压空气冷却器以及加湿器2中进行，该加湿器促进燃料电池4的膜的湿度饱和，以提高其效率，因为这有利于质子传输。
24.在阳极侧燃料电池堆叠3与阳极供应管路6流体机械地连接，从而在示意性示出的燃料储存器7中包含的燃料可供应给燃料电池堆叠3。阀或还有抽吸喷射泵在此可适用于，实现在阳极回路内新鲜燃料处的期望的分压，其通过阳极循环管路8实现。利用这样的阳极循环管路8，在燃料电池堆叠3中未被消耗的燃料可重新供应给在燃料电池堆叠3上游的阳极空间，从而在此阳极循环管路8再次通入到阳极供应管路6中。为了从阳极回路中排出液体，分离器9当前结合到阳极循环管路8中。该分离器与燃料电池装置1的阴极侧流体机械地连接，从而阳极侧产生的液体例如被引入到存在于在燃料电池堆叠3下游的阴极排气管路10中，以便例如从燃料电池装置1中导出液体。备选地或补充地，阳极侧产生的液体也可从分离器9通入到在加湿器2上游的阴极供应管路11中，从而在液体到达到加湿器2中之前，液体在那里被输入到新鲜的阴极气体中。与此相关联的优点是，加湿器2可整体更小地设计，因为新鲜的通过借助于压缩机5的压缩干燥的新鲜气体那么不再需要如此强烈地加湿，以在燃料电池堆叠3中保证膜的必要的湿度。
25.为了可以调整通过燃料电池堆叠3的阴极气体的质量流，存在旁路12，其具有调整环节，尤其地压力调节阀。该旁路12将阴极供应管路11与阴极排气管路10连接。
26.在图1中所示的实施例中，加湿器2构造为带有多个加湿器模块13的平面加湿器，其中每个带有可渗透水蒸气的膜和布置在膜的一侧上的流动区14和布置在膜的相对侧上的第二流动区14地形成，它们布置在隔热、即导热差的框架15中。在流动区14中流动通道16通过流动区桥接部17分开，其中流动区桥接部17实施为中空桥接部(图3)用于结合到冷却剂回路18中，即到燃料电池装置1的燃料电池堆叠3的冷却剂回路18中，其具有冷却器19和冷却剂泵20，其在图1中所示的实施例中在加湿器2的下游布置在冷却剂回路18中。
27.利用冷却剂从燃料电池堆叠3中散出的热量因此被利用，以便加热在流动通道16中流动的气体并克服通过液态水的蒸发发生的冷却。与这种热量供应也关联有更高的液态水转化。这通过中空桥接部为了扩大表面在横截面方面设计成多边形21并由导热材料形成的方式实现。
28.这种在冷却器19前的热量使用也导致，该更少的热量必须从冷却剂中吸取并且因此如有可能可实施成更小的。
29.此外，在燃料电池堆叠3中产生的并在分离器9中收集的液态水被使用，其方式是，
流动通道16与燃料电池堆叠9的分离器9流动连接。这在新鲜气体侧上导致加湿，由此需要更少的水传递通过膜，并且因此膜面和由此加湿器2的结构大小可以被减小。这在阴极排气侧上导致阴极排气的加湿。
30.因为流动区桥接部17在其外侧上具有蓄水器22，存在这样的可能性，即该蓄水器22在存在液态水时填满，并且当较少的液态水从分离器9中可供使用时，那么输出所存储的水。蓄水器22通过吸湿的材料形成，其放置、粘合或压入在流动区桥接部17上。也存在这样的可能性，即流动区桥接部17具有多孔的结构。
31.在具有带有这样的加湿器2的燃料电池装置1的机动车中针对加湿器2存在较少的结构空间需求，加湿器可以更紧凑地并相应以更少的材料耗费制造。
32.附图标记列表1. 燃料电池装置2. 加湿器3. 燃料电池堆叠4. 燃料电池5. 压缩机6. 阳极供应管路7. 燃料储存器8. 阳极循环管路9. 分离器10. 阴极排气管路11. 阴极供应管路12. 旁路13. 加湿器模块14. 流动区15. 框架16. 流动通道17. 流动区桥接部18. 冷却剂回路19. 冷却器20. 冷却剂泵21. 多边形22. 蓄水器。