增濕裝置、尤其是用于燃料電池的增濕裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種增濕裝置，所述增濕裝置具有多個水蒸氣滲透的空心纖維，所述空心纖維在殼體中被墊片保持在限定的位置中。所述墊片具有水分儲存介質(zhì)，所述水分儲存介質(zhì)至少部分地由超級吸收材料制成。
【專利說明】增濕裝置、尤其是用于燃料電池的增濕裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的增濕裝置、尤其是用于燃料電池的增濕裝置。
【背景技術】
[0002]文獻W02006/136231A1描述了一種增濕裝置，所述增濕裝置在殼體中具有空心纖維結構，所述空心纖維結構具有多個平行走向的、滲透水蒸氣的空心纖維。第一空氣流在空心纖維內(nèi)部沿軸向方向流動，第二空氣流在空心纖維外部徑向于空心纖維縱向軸線流動，其中從具有較高含水量的空氣流過過空心纖維的壁部向具有較低含水量的空氣流進行水蒸氣交換。
[0003]空心纖維布置在水平層中，其中相互相互疊置的層通過無紡布層或泡沫塑料層相互隔開，所述空心纖維允許空氣以較小的壓力損失流過。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的任務在于，采用簡單的措施給出一種具有高效率的增濕裝置。
[0005]按照本發(fā)明，該任務利用權利要求1所述的特征來解決。有利的改進方案由從屬權利要求給出。
[0006]借助增濕裝置可以使流動的空氣富含水分。所述增濕裝置有利地配屬于燃料電池，向所述燃料電池的陰極提供富含水分的新鮮空氣流。所述新鮮空氣流尤其由環(huán)境導入并且富含水分。所述水分可以由另一股具有增大的水分含量的空氣流產(chǎn)生，所述第二空氣流來說例如是燃料電池的排氣流。
[0007]所述增濕裝置在殼體中具有水分交換器，所述水分交換器具有多個滲透水或者說滲透水蒸氣的空心纖維，所述空心纖維在殼體中將第一流動路徑與第二流動路徑隔開。具有提高的含水量或者說更低的含水量的空氣流被沿著流動路徑引導，其中經(jīng)由滲透水蒸氣的空心纖維的壁可以將水分從具有較高含水量的空氣流轉入到具有較低含水量的空氣流。具有較高含水量的空氣流例如從外面徑向地被引導到空心纖維，與此相對地，最初具有較低含水量的空氣流在空心纖維內(nèi)部沿著另一流動路徑延伸。但原則上還可以考慮相反的流動方向，其中經(jīng)由空心纖維軸向地引導水分較高的空氣流，并且最初具有較低含水量的空氣流被在空心纖維外面徑向地被引導穿過所述增濕裝置。無論如何，在殼體中在空心纖維外面延伸的空氣流采用垂直于或者說徑向于空心纖維的縱向延伸部的方向是有利的。
[0008]在所述增濕裝置的殼體中具有墊片，所述墊片在殼體中將空心纖維保持在限定的位置中。該墊片構造為水分儲存介質(zhì)，所述水分儲存介質(zhì)至少部分地由超級吸收材料制成。超級吸收材料能夠吸收和容納數(shù)倍于自重的水分。作為超級吸收材料例如可以考慮超級吸收聚合物(SAP)，所述超級吸收聚合物由親水的聚合物纖維構成，其可以吸收水分并在在此發(fā)生膨脹(aufquellen)。該材料通過吸收水分發(fā)生聚合并且在此包含水分。解吸時再次排出水分。必要時該親水的纖維可以嵌入到載體無紡布中。[0009]在墊片中應用超級吸收材料導致水分補償功能，方法是能夠?qū)υ诳招睦w維外面環(huán)繞殼體流動的空氣流的水分含量中發(fā)生的波動進行補償。該水分被超級吸收材料吸收，并且只有達到飽和含量才會再次排出，緊接著按照穿流方向，該水分或者經(jīng)由壁部排出到空心纖維內(nèi)部或者直接從殼體中運出。通過具有超級吸收材料的墊片的補償功能夠?qū)崿F(xiàn)在水分排出中的均勻化。
[0010]在含水量高的空氣流流過增濕裝置時，所述空氣流從外面徑向地被引導到空心纖維，此外還可以改善效率，因為通過墊片中的超級吸收材料吸收包含在引導的空氣流中的水分的較高份額，反之在現(xiàn)有技術的實施方式中，含水量的相對較高的份額在沒有排出到第二空氣流的情況下從該增濕裝置中再次流出。所述超級吸收材料回收水分，并在達到飽和程度之后再次將水分排出，緊接著該水分可以通過空心纖維的膜壁轉入到空心纖維的內(nèi)部?，F(xiàn)在富含水分的空氣在第二流動路徑中接下來軸向地經(jīng)由空心纖維的內(nèi)部導出。
[0011]同時所述超級吸收材料只有相對較小的流體阻力，從而由墊片引起的對應壓力(Gegendruck)能夠被導入的空氣流所克服。在空心纖維外面穿流殼體的空氣流中的、在離開增濕裝置時仍舊包含的剩余水分明顯少于現(xiàn)有技術，與此相應地改善了從第一空氣流到第二空氣流的水分傳遞的效率。
[0012]可以考慮在增濕裝置中墊片的不同的實施方式。一方面可能的是，在增濕裝置的相鄰的空心纖維之間的或者說在增濕裝置的各個空心纖維與殼體壁之間的全部或者至少接近全部的間隙中都填充有墊片的材料。
[0013]必要時，在所述墊片的各個位置上設有增大的份額的或者增大的密度的超級吸收材料，以便通過這種增強在各個位置上更好地確保其中在沒有向空心纖維排出水分的情況下增大的穿流的風險。在殼體內(nèi)壁上靠近壁部的區(qū)域中尤其存在這種穿流風險。
[0014]一般來說可能的是，在一個、兩個或者所有三個空間方向上或者在墊片中設置均勻份額的超級吸收材料，或者在一個或者多個空間方向上在墊片中設置超級吸收材料的不均勻的分布或者說濃度。此外，所述墊片還可能僅僅部分地或者完全地由超級吸收材料制成。根據(jù)一種替代的實施方式，與此相反地規(guī)定，所述墊片包含一確定份額的超級吸收材料，方法是例如將超級吸收材料的纖維嵌入到載體無紡布中。無論如何，所述墊片具有足夠的剛性或者說強度，以便將空心纖維在增濕裝置的殼體內(nèi)部保持在限定的、期望的位置上。
[0015]所述空心纖維優(yōu)選筆直地并且相互平行地在增濕裝置的殼體中延伸。能夠有利的是，所述空心纖維相互分別以一定間距布置，這帶來了空心纖維完全由墊片材料封閉的可能性。在另一種實施方式中規(guī)定，空心纖維雖然相互以一定間距放置，但是僅僅部分地由墊片的材料封閉。能夠有利的是，在部分封閉時沿圓周方向設置至少一個180°的封閉程角度。
[0016]根據(jù)另一種替代方案，所述空心纖維至少相互直接相鄰地放置在層內(nèi)部，其中不同的層通過墊片相互隔開。由此可以實現(xiàn)空心纖維的高密度。
[0017]根據(jù)另一種實施方式，墊片構造為涂層狀或者說覆層狀，并且放置在平行地布置的空心纖維的相互疊置的層之間。這此例如考慮筆直的間隔層、構造為鋸齒狀或波紋狀的間隔層，其中鋸齒狀或者波紋狀的間隔層具有附加的優(yōu)點，即所述空心纖維不僅在高度上，而且沿橫向、也即橫向于其縱向延伸部由墊片穩(wěn)定并且保持在預定的位置上。
[0018]在另一種實施方式中空心纖維容納在膜塊中，墊片也集成到所述膜塊中?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0019]其他優(yōu)點和有利的實施方式由其他權利要求、【專利附圖】

【附圖說明】和附圖給出。附圖示出:
[0020]圖1是用于燃料電池的增濕裝置的示意圖，所述增濕裝置具有水分交換器，所述水分交換器包含具有滲透水的壁部的空心纖維；
[0021]圖2是增濕裝置的垂直于空心纖維的縱向軸線的剖面圖；
[0022]圖3是增濕裝置的另一實施方式的示意圖；
[0023]圖4是增濕裝置的另一實施例。
[0024]在附圖中，相同的構件設有相同的附圖標記。
【具體實施方式】
[0025]通過在圖1中示意性地示出的增濕裝置1，向燃料電池提供具有最低濕度的、富含水分的新鮮空氣流。增濕裝置I包括可更換地或者固定地容納在殼體2中的料筒(Kartusche) 3,并且包含在廢氣流中的水分傳遞給干燥的、輸送給燃料電池的新鮮空氣流。料筒3具有多個空心纖維，所述空心纖維的壁部構造為滲透水的。
[0026]經(jīng)由殼體2中的新鮮空氣通道4，向增濕裝置I供給環(huán)境空氣作為新鮮空氣，引導所述新鮮空氣穿過空心纖維。所述新鮮空氣通道4在料筒3上游具有輸入部段4a，而在料筒下游具有導出部段4b。
[0027]廢氣通道5以相對于新鮮空氣通道4成90°的角度在殼體2中延伸，經(jīng)由所述廢氣通道，燃料電池的富含水分的廢氣以另一空氣流穿過料筒。廢氣通道5在料筒3上游具有輸入部段5a，而在該料筒下游具有導出部段5b。所述空氣流利用燃料電池的廢氣徑向地環(huán)繞空心纖維的壁部流動。
[0028]經(jīng)由新鮮空氣通道4弓丨導新鮮空氣流6穿過增濕裝置I，經(jīng)由與所述新鮮空氣通道交叉的廢氣通道5引導來自燃料電池的廢氣流7穿過增濕裝置。相互交叉的流動6和7在料筒3內(nèi)由構造為滲透水的、至少部分地氣密的膜的空心纖維壁部隔開，只允許從水分較高的廢氣流7向干燥的新鮮空氣流6進行水分交換。新鮮空氣通道4形成用于輸送富含水分的新鮮空氣到燃料電池的進氣流動路徑，所述廢氣通道5形成廢空氣流動路徑。
[0029]圖2示出了用于燃料電池的增濕裝置I的剖面圖。增濕裝置I在殼體2中具有一個水分交換器，所述水分交換器具有空心纖維塊或者說膜塊8，后者包括多個空心纖維9和一個墊片10?？招睦w維9相互平行地并垂直于空氣流7延伸，所述空氣流引導承載水分的燃料電池的廢氣流。該廢氣流被導入到膜塊8內(nèi)部，并且徑向地從外面環(huán)繞空心纖維9的壁部流動。
[0030]空心纖維9的壁部構造為滲透水的膜，通過包含在空氣流7中的水或者說水蒸氣能夠徑向從外面滲透到空心纖維的內(nèi)部。引導富含來自廢氣流7的水分的新鮮空氣流軸向地通過空心纖維9。
[0031]膜塊8的內(nèi)部由墊片10的材料填充，所述墊片包含一定份額的、可以吸收較高的水分份額的超級吸收材料SAP。該超級吸收材料例如構造為具有親水的聚合物纖維的超級吸收聚合物(Superabsorbpolymer)。墊片10或者完全由超級吸收材料SAP制成,就是包含一定份額的超級吸收材料SAP。[0032]同時通過墊片10將空心纖維9的位置固定在膜塊8內(nèi)部。空心纖維9相互以一定間距以及相對于殼體2的內(nèi)壁以一定間距放置，并且完全由墊片10的材料封閉。在膜塊8中的整個自由的內(nèi)部空間除了空心纖維9之外都由墊片10的材料填充。在此能夠有利的是:確定的區(qū)域、例如在殼體2的內(nèi)壁與相鄰的空心纖維9之間的區(qū)域，設有提高的份額的超級吸收材料或者說設有更高密度的超級吸收材料。
[0033]在徑向引導的空氣流7中的水分首先被墊片10中的超級吸收材料吸收。一旦在超級吸收材料中達到飽和程度，就漸漸地從超級吸收材料排出水分，由此使得水分的排出均勻化。此外，在空氣流7從膜塊8中排出時仍舊包含的剩余水分的份額降低，從而通過墊片10中的超級吸收材料在由導入的空氣流7向新鮮空氣流排出水分時實現(xiàn)更高的效率，新鮮空氣流被引導到增濕裝置I的空心纖維內(nèi)部。
[0034]在圖3中示出了另一實施例，其中墊片10構造為覆層狀或者說涂層狀并且具有鋸齒形狀。各一個墊片10在各兩個相互疊置的、具有平行地布置的空心纖維9的層之間延伸。通過涂層狀的墊片10的鋸齒形狀使得空心纖維9沿橫向、亦即橫向于空心纖維縱向軸線實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。
[0035]在根據(jù)圖4的實施例中，墊片10同樣構造為涂層狀或者說覆層狀，然而是直線的或者說是平面的，并且因此在相應多個相互平行地延伸的空心纖維9的相互疊置的層之間形成各一個板。
【權利要求】
1.增濕裝置、尤其是用于燃料電池的增濕裝置，所述增濕裝置具有水分交換器，所述水分交換器具有多個布置在殼體(2)中的、滲透水和/或滲透水蒸氣的空心纖維(9)，并且第一流動路徑與第二流動路徑隔開；所述增濕裝置還具有墊片(10)，所述墊片(10)將所述空心纖維(9)保持在殼體(2)中限定的位置中，其特征在于，所述墊片(10)構造為水分儲存介質(zhì)，所述水分儲存介質(zhì)至少部分地由超級吸收材料制成。
2.按照權利要求1所述的增濕裝置，其特征在于，至少兩個空心纖維(9)相互以一定間距布置，并且在所述空心纖維(9)之間放置有由超級吸收材料制的墊片(10)。
3.按照權利要求1或2所述的增濕裝置，其特征在于，全部空心纖維(9)相互以一定間距布置并且相對于所述殼體(2)的內(nèi)壁以一定間距布置，并且由所述墊片(10)保持位置。
4.按照權利要求1至3中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，至少一個空心纖維(9)由所述墊片(10)部分地封閉。
5.按照權利要求1至4中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，至少一個空心纖維(9)由所述墊片(10)完全封閉。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，在所述殼體(2)內(nèi)部，在相鄰的空心纖維(9)之間的并且在所述空心纖維(9)與容納的殼體(2)的內(nèi)壁之間的自由空間完全由所述墊片(10)填充。
7.按照權利要求1至5中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，所述墊片(10)構造為在所述空心纖維(9)的相互疊置的層之間的間隔層。
8.按照權利要求7所述的增濕裝置，其特征在于，所述間隔層構造為筆直的。
9.按照權利要求7所述的增濕裝置，其特征在于，所述間隔層構造為鋸齒狀的。
10.按照權利要求7所述的增濕裝置，其特征在于，所述間隔層構造為波紋狀的。
11.按照權利要求1至10中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，所述間隔層的纖維無規(guī)則地布置在所述空心纖維(9)之間。
12.按照權利要求1至11中任一項所述的增濕裝置，其特征在于，所述空心纖維(9)容納在膜塊(8)中，所述膜塊也容納所述墊片(10)。
13.燃料電池，其具有按照權利要求1至12中任一項所述的增濕裝置(I)。
【文檔編號】H01M8/04GK103825036SQ201310726164
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權日:2012年11月15日
【發(fā)明者】F·米夏埃爾 申請人:曼·胡默爾有限公司