加溼器、板、裝置以及機動車的製作方法

2024-02-24 02:56:15

本發明涉及一種加溼器，具有燃料電池的裝置以及機動車。

背景技術：

加溼器用於為待加溼的氣體輸送溼氣。加溼器尤其地使用在帶有至少一個燃料電池的裝置的運行中。燃料電池用於將化學能直接轉化成電能。其可以靜止或者移動地應用。示例性的應用領域是在機動車中。加溼器用於例如藉助於燃料電池的廢氣來加溼用於燃料電池的輸送空氣，燃料電池的廢氣通常具有高的溼度。

基本上，加溼器構造成，在加溼區間上，待加溼的氣體和加溼用的氣體可通過可透過水的材料相互分離地被引導經過彼此，使得以氣態、液態或汽相的水從第二氣體中轉移到第一氣體中。

那麼，例如由文件DE10102447A1已知一種加溼器，其設置成用於與燃料電池一起使用。該加溼器包括：多個組合的可透過水的膜片，其中，通過在膜片中流動有帶有不同溼度含量的不同氣體並且在不同的氣體之間進行溼度交換從而通過帶有較大溼度含量的另一溼的氣體加溼帶有較小溼度含量的幹的氣體，可透過水的膜片中的每一個都產生經加溼的氣體。

加溼器的另一形式使用空心纖維。如此，文件DE 102 44 707 A1說明了一種用於在溼的與幹的氣體流之間交換溼氣、尤其地水或水蒸氣的裝置。在此，空心纖維用於分離兩個氣體流彼此。文件DE 101 02 358 A1也說明了一種加溼器，其包括殼體，殼體容納大量在殼體的縱向流動的方向上布置的可透水的空心纖維膜片，其中，帶有不同溼度含量的兩種不同的氣體分離地被引導通過在空心纖維膜片束之外的空間並且通過空心纖維膜片束的內部，以便於經由空心纖維膜片交換其溼度，其中，為帶有更小的溼度含量的乾燥氣體加溼。

在文件DE 102 44 707 A1中闡述的殼體是立方體的，而文件JP H07-71795研究了在圓柱形的殼體中的加溼器。

作者Kadylak, David Erwin所著的「Effectiveness method for heat and mass transfer in membrane humidifiers」(2009年4月，英國哥倫比亞大學，溫哥華，加拿大)討論了影響加溼器中的水輸送的變量和參數，並且尤其地闡述了加溼器幾何形狀和流動條件與性能的相關性。在此確定，通過高壓差的膜片孔驅動毛細管的水輸送。

為了使滲入加溼器模塊之間的自由空間中的空氣流的壓力損失均勻化，文件DE 10 2008 006 793 A1提出了帶有兩個彼此傾斜的流入面的加溼器模塊的構造方案。

技術實現要素：

本發明所研究的任務是，改善從溼的氣體到待加溼的氣體的溼轉移。

為此，提出根據權利要求1所述的加溼器。此外，根據權利要求3所述的板和根據權利要求8所述的帶有燃料電池和根據本發明的用於藉助於燃料電池的廢氣加溼用於燃料電池的空氣輸送的根據本發明的加溼器的裝置。最終，還提出一種帶有根據本發明的裝置的根據權利要求9所述的機動車。

根據本發明提出的加溼器包括至少一個加溼通道，其中，加溼器設計成，在加溼通道中待加溼的第一氣體可在流動方向上並且通過可透水的材料分離地被引導經過加溼用的第二氣體，從而水從第二氣體中轉移到第一氣體中。根據本發明提出的加溼器的特徵在於，提供給第一氣體的加溼通道的橫截面在流動方向上減小。

橫截面的減小引起在加溼通道上的壓力下降，該壓力下降減小、補償或過補償由于越來越多的加溼引起的壓力增加，從而儘管在加溼通道區間上的溼轉移，在第一與第二氣體之間分壓差保持很大。

在有利的實施形式中，加溼器可包括殼體，通過殼體限制加溼通道。在此，加溼器可包括多個由可透水的材料製成的空心纖維以用於通過第二氣體，其中，空心纖維在殼體中垂直於流動方向延伸，其中，在流動方向上空心纖維的布置密度是恆定的並且殼體在流動方向上變細。

由可透水的材料製成的根據本發明提出的板在面式的側上具有接片，其在流動方向上延伸並且限制加溼通道。板的特徵在於，在接片之間的距離在流動方向上單調減小。

板的優點同樣在於，儘管在加溼通道區間上的溼轉移，在第一與第二氣體之間的分壓差保持很大。

在一有利的實施形式中，板可具有多個接片，其限制多個彼此平行的加溼通道，其中，接片的寬度在流動方向上單調增大，從而加溼通道的橫截面在流動方向上減小。

此外可行的是，板在另一面式的側上具有向流動方向延伸的其它接片，其中，所述其它接片之間的距離在流動方向上單調增大。

在另一實施形式中，加溼器可在殼體中具有至少一個根據本發明的板。

由其它在從屬權利要求中所提到的特徵得到本發明的其它優選的設計方案。

如果在具體情況中沒有特別地闡述，在本申請中所述的本發明的不同的實施形式可有利地相互組合。

附圖說明

下面在實施例中根據從屬的附圖闡述本發明。其中：

圖1顯示了根據現有技術的第一加溼器，

圖2顯示了第二加溼器，其示出了本發明的實施例，

圖3以俯視圖示出了由可透水的材料製成的根據現有技術的第一板，

圖4以截面圖顯示了第一板，

圖5以俯視圖顯示了由可透水的材料製成的第二板，其中，第二板是本發明的實施例，以及

圖6以截面圖顯示了根據本發明的第二板。

具體實施方式

在圖1中顯示的根據現有技術的第一加溼器10包括殼體20，帶有平行的空心纖維130的空心纖維束布置在殼體20中。空心纖維130在束中的密度在此是恆定的。

所顯示的殼體20是帶有矩形基礎面地圓柱形的且限制加溼通道，加溼通道在平行於基礎面的流動方向上延伸。在所顯示的加溼器10中，空心纖維130垂直於基礎壁伸延，並且由此垂直於流動方向且平行於殼體的側壁伸延。未彼此鄰接的且因此在該示例中彼此平行的側壁中的兩個包括第一氣體輸入部和第一氣體輸出部，第一氣體可通過第一氣體輸入部和第一氣體輸出部被引導到殼體20中並且從殼體中被引出。

第二氣體可從第二氣體輸入部被引導到第二氣體輸出部。在所示出的示例中，空心纖維的端部形成第二氣體輸入部和第二氣體輸出部。

空心纖維130密度均勻地布置在殼體20中。空心纖維130由可透水的材料製成並且允許溼氣毛細管式地通過材料的孔，然而不允許氣體通過。這實現，例如溼的氣體被引導通過空心纖維130並且待加溼的氣體繞空心纖維130被引導。備選地，待加溼的氣體被引導通過空心纖維130並且溼的氣體繞空心纖維130被引導。

在圖2中顯示了帶有殼體200的第二加溼器100，其示出了本發明的實施例。所顯示的第二加溼器100的殼體200包括加溼通道210並且是圓柱形的。在殼體200中布置有帶有平行的空心纖維130的空心纖維束。在此，空心纖維130在束中的密度是恆定的。在根據本發明的加溼器100的實施例中，殼體的基礎壁110,120是梯形的。空心纖維130又垂直於基礎壁伸延並且由此平行於殼體200的側壁伸延，除了彼此平行的基礎壁110,120，殼體200附加地具有一對平行的側壁140,150和一對不平行的側壁。該對平行的側壁140,150具有第一氣體輸入部和第一氣體輸出部，第一氣體可通過第一氣體輸入部和第一氣體輸出部被引導到殼體200中並且從殼體200中被引出。從第一氣體輸入部到第一氣體輸出部的流動方向垂直於空心纖維130的延伸方向。空心纖維130的面密度在殼體100中在每個垂直於流動方向的平面中都是恆定的，待加溼的第一氣體在該流動方向上被引導。在此，第一氣體通過其被引入加溼通道中的第一氣體輸入部被較大的平行的側壁140包圍，而第一氣體通過其從加溼通道中被引出的第一氣體輸出部被較小的平行的側壁150包圍。因此，加溼通道的橫截面在流動方向上減小。

空心纖維130由可透水的材料製成並且允許溼氣毛細管式地通過材料的孔，然而不允許氣體通過。

現在，如果待加溼的第一氣體在殼體200中圍繞空心纖維130從第一氣體輸入部流向第一氣體輸出部並且溼的第二氣體流過空心纖維130，則在第一與第二氣體之間的溼氣的分壓差保持較大，因為在環流空心纖維的情況中由於溼轉移在第一氣體中引起的溼氣的分壓增加而減小、補償或過補償由於橫截面變化的壓力減小。保持不變的分壓差引起從第二到第一氣體的保持不變地良好的溼轉移。

圖3以俯視圖顯示了由可透水的材料製成的根據現有技術的第一板40並且圖4以沿著圖3中以A表示的線的截面顯示了第一板40。這種由可透水的材料製成的板40也被稱為膜片加溼器板，其允許溼氣毛細管式地通過材料的孔。

在板40的面式的側上構造有同樣高地伸出的且彼此平行地伸延的接片41,42，其形成敞開的通道51,61。接片41,42中的每一個具有恆定的寬度並且通道51,61中的每一個具有恆定的寬度，其中，不同的接片41,42和/或通道51,61可具有不同的寬度。如果通過板40在殼體中的布置方案來封閉通道51,61，則待加溼的第一氣體可通過通道51在板40的面式的側中的一個上被引導，並且加溼用的第二氣體在對流中通過通道61在板40的另一面式的側上被引導。與水在第一與第二氣體之間的分壓差異相關地，溼氣通過板擴散並且加溼第一氣體。

圖5以俯視圖顯示了由可透過水的材料製成的第二板400，其允許溼氣毛細管式地通過材料的孔，並且圖6以沿著在圖5中以B表示的線的截面顯示了第二板400。在圖5和6中示出的板400是本發明的實施例。

在板400的面式的側上又構造有同樣高地伸出的接片410,420，其形成敞開的通道510,610。雖然，通道510,610基本上平行地伸延，然而通道510,610的側壁不是平行地伸延，因為，通道510,610的寬度在板500的長度上線性變化。這通過接片510,610實現，接片510,610在板500的長度上線性地變得更寬。

在此，在板100的面式的側上的接片410與在另一面式的側上的接片420相反地變細。然而也可行的是，在板100的面式的側上的接片410與在另一面式的側上的接片420相同指向地變細。

也可行的是，通過兩個不平行的輔助接片代替在兩個通道510,610之間的每個接片410,420，在輔助接片之間保留不是用作通道的自由空間。

板400由可透水的材料製成並且允許溼氣毛細管式地通過材料的孔，然而不允許氣體通過。

如果通過板400在殼體中的布置方案來封閉通道，則待加溼的第一氣體可通過通道510在板的面式的側中的一個上被引導，並且加溼用的第二氣體在對流中通過通道610在板的另一面式的側上被引導。與水在第一與第二氣體之間的分壓差異相關地，溼氣通過板擴散並且加溼第一氣體。在此，在整個區間上的分壓差保持足夠大以用於高效的溼轉移並且相應地保持第一氣體的良好加溼和/或第二氣體的除溼。

在所示出的且說明的實施例中，用於通過待加溼的氣體的一個或多個通道的寬度或橫截面線性的變化。然而，在本發明的思想中其它寬度變化也是可行的。本發明的效果基於通道寬度或通道橫截面在流動方向上的減小。對於本發明的效果而言，當在輸入側上的通道寬度或通道橫截面大於在輸出側上時，就足夠，待加溼的氣體在輸入側上被輸送給通道，已加溼的氣體在輸出側上從通道中被導出。

附圖標記清單

10,100加溼器

20,200殼體

210加溼通道

110,120基礎壁

130可透水的材料，構造成空心纖維或帶有接片的板

140,150殼體的平行的側壁

40,400板

41,42恆定寬度的接片

410,420帶有變化的寬度的接片

51,61恆定的寬度的通道

510,610帶有變化的寬度的通道