用于燃料电池的加湿器的制作方法

本发明涉及一种加湿器，例如用于燃料电池的加湿器。

背景技术：

在de102009034095a1、ep1261992b1、和美国专利申请序列号14/663,504中（这些专利的内容以参考的方式并入本文中），描述了用于燃料电池的加湿器，该加湿器具有将用于潮湿空气和干燥空气的直通流道分隔开的多个叠加膜。水分子从潮湿空气流穿透这些膜而到达干燥空气流，因此使干燥空气富含水分。可以将燃料电池的排气用作潮湿的进气流；该排气的水分经过膜被转移到新鲜空气流中，然后该新鲜空气流被供给至燃料电池系统的进口以便在电化学反应中产生电流。将此过程示于图1。

技术实现要素：

期望提供一种具有可将水分以高效的方式从潮湿气流转移至干燥气流的经济设计的加湿器，其中各气流被相互分隔开。

此外，期望提供一种高效地将水分转移至干燥气流同时限制气体转移至干燥气流的加湿器。

在一个实施例中，加湿器芯部包括第一端板、第二端板、至少一个密封板、至少一个第一输送板、和至少一个第二输送板。第一端板具有第一对准特征，并且第二端板具有第二对准特征。至少一个密封板包括与具有对准孔的弹性体密封件一起包覆成型（overmolded）的第一多孔介质。至少一个第一进口输送板包括与具有进口和出口的聚合物框架一起包覆成型的第二多孔介质，这些进口和出口是用于允许液体或气体在多孔介质的一侧上在第一方向上流动。至少一个第二输送板包括与具有(进口和出口的)聚合物框架一起包覆成型的第二多孔介质。

基于以下对实施例的详细描述将更充分地理解本发明的这些和其它特征和目的，该详细描述应根据附图进行阅读。

在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解的是本发明并非将其应用局限于在说明书中所陈述的或者在附图中所示出的结构的细节及各部件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且能够以各种方式实施并实现。另外，应当理解的是本文中所采用的用语和术语、以及摘要是为了描述的目的而不应看作是限制性的。

因此，本领域技术人员将理解的是本公开所基于的构思可容易地用作用于设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是权利要求被视为包括这种等效结构，因为它们并不背离本发明的精神和范围。

附图说明

并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图图解说明了本发明的实施例，并且连同描述一起用来解释本发明的原理。

图1示出了用于具有被插入壳体中的盒的燃料电池的加湿器；

图2示出了用于燃料电池的加湿器；

图3a示出了加湿器堆；

图3b示出了加湿器堆的分解视图；

图4a-图4e示出了加湿器堆的端板；

图5a-图5d示出了加湿器堆的密封板；

图6a-图6e示出了加湿器堆的进口板；

图7示出了加湿器堆的剖视图；

图8示出了加湿器堆的端盖；

图9a和图9b示出了其中进口板包括支撑构件的实施例；

图10a示出了支撑介质；

图10b示出了在两层的转移介质之间的支撑介质。

具体实施方式

在对附图中所示出的本发明实施例进行描述时，为了清楚起见将使用特定的术语。然而，本发明并非意图局限于如此选择的特定术语，应当理解的是各特定术语包括以类似的方式操作以实现类似的目的所有技术等效物。

图1示出了用于燃料电池的加湿器1，利用该加湿器1将富含水分的新鲜空气提供给燃料电池，所述新鲜空气具有最小程度的湿度。在壳体2中，加湿器1具有盒3，该盒3是用于将排气流7中所含有的水分转移至提供给燃料电池的干燥新鲜空气流6。盒3具有其中大部分的透水性纤维层彼此一个在另一个上堆叠的堆叠单元，各透水性纤维层将具有不同含湿量的空气流6、7分隔开。该纤维层将各空气流相互隔离同时允许空气流6与空气流7之间的水分交换，因此干燥新鲜空气流6从潮湿的排气流7中吸收水分。

加湿器1的壳体2设置有新鲜空气通道4，周围空气借助于该新鲜空气通道4被引入作为新鲜空气流6。新鲜空气通道4包括在盒3上游的流入部4a和在盒3下游的流出部4b。

壳体2设置有排气通道5，该排气通道5相对于新鲜空气通道4偏移90°的角度，并且借助于该排气通道，富含水分的燃料电池的排气作为排气流7被引导经过盒3。排气通道5具有在盒3上游的流入部5a、和在盒3下游的流出部5b。

新鲜空气流6与排气流7按照通道4和5以90°的角度对准而相交；然而，在盒3内部的空气流6和7被透水性纤维层所隔离，这些透水性纤维层只允许从具有高含湿量的排气流7到干燥新鲜空气流6的水交换。

这两个气流可以以不同于附图中所示的大致90°的角度而布置，例如在具有大致180°的两个气流之间的角度的逆流中的布置、或者其它有利的设计。

图2示出了具有加湿器堆芯部200、两个进口端盖210a-b、和两个出口端盖220a-b的燃料电池加湿器1。加湿器堆包括两个端板、至少一个输送板、和至少两个密封板。输送板包括第一进口，所述第一进口允许第一空气流从第一进口盖210a进入并且在转移板的第一侧上流动到第一出口端盖220a。输送板包括第二进口，所述第二进口允许第二空气流从第二进口端盖210b进入并且在输送板的第二侧上流动到第二出口端盖220b。密封板防止空气流泄漏到加湿器堆的其它层。输送板包括框架和多孔加湿器介质。第一空气流是包含“干燥”空气的空气流，第二空气流是包含“潮湿”空气的空气流。水分经过多孔加湿器介质从潮湿空气流被转移至干燥空气流。下面将更详细地对加湿器1和加湿器堆芯部200的特征进行描述。

图3a示出了无端盖的加湿器堆芯部200。加湿器芯部200具有允许空气流在第一方向上进入加湿器堆芯部200的第一进口300a。加湿器芯部堆200具有允许空气流在基本上垂直于第一方向的第二方向上进入加湿器堆芯部200的第二进口300b。

图3b示出了加湿器单元堆的分解视图。该加湿器堆包括底端板310a，重复的密封板320、320a、320b，及输送板330、330a。如上所述，输送板330、330a包括允许空气沿输送板的第一侧在第一方向上流动的第一进口300a。输送板330、330a还包括允许空气沿输送板330、330a的第二侧在第二方向上流动的第二进口300b。密封板320、320a、320b防止在一个输送板的第一方向上的空气流与在另一个输送板的第二方向上的空气流相互干扰。

图4a-图4e示出了端板的各种视图。图4a示出了端板310的外侧。该外侧是在加湿器外部上的那侧并且不与密封板或输送板相邻。该外侧可以是如图示般的平滑，或者具有便于正确地安装在车厢中的图案。图4b示出了端板310的侧视图。在图示的实施例中，端板具有大致均匀的厚度。然而，在一个未图示的替代实施例中，端板的中央部较厚，以提供额外的强度和刚度。图4c是端板的内侧的俯视图。图4d是端板310的另一个视图。图4e是端板的分解视图。端板包括与密封板320上的特征配合的对准特征410、和与进口板330配合的咬合特征420。端板还包括便于将端盖210a-b、220a-b安装到加湿器堆的导轨430。端板包含硬质材料，例如塑料或金属。

图5a-图5d示出了密封板320。密封板320包括与热塑性弹性体密封件321一起包覆成型的多孔加湿器介质。密封板320起转移介质的作用，并且在输送板330与330a之间进行密封。图5a示出了密封板320的俯视图。图5b示出了密封板320的侧视图。图5c是密封板320的另一个视图。图5d是密封板的分解剖视图。热塑性弹性体密封件321包括多个对准孔510。在密封中的对准孔510充当与进口板330和端板310的配对特征。对准孔510也确保正确的组装同时也有助于在包覆模制过程期间将介质对准和固定。多孔加湿器介质包括将水分从介质的潮湿侧转移至该介质的干燥侧的介质，其被弹性体密封件321所包围。在一个实施例中，多孔加湿器包括紧密编织的纤维素材料，该纤维素材料吸收水分并膨胀从而形成“密封”状态。在另一个实施例中，多孔加湿器介质包括具有被夹在两层非织造纤维素之间的一层非织造聚酯弹性体的分层介质。然而，也可采用其它的合适介质。介质的重要特征是该介质阻止干燥空气流与潮湿空气流之间的70%的空气转移，该介质允许水分的充分转移，并且该介质具有比热塑性弹性体密封件更高的熔点。

在图5a-图5d中所示的实施例中，密封板的顶侧大致与密封板的底侧相同。此实施例的一个优点是允许更容易地组装加湿器堆。在一个替代实施例中，密封板的底侧包含具有不同于顶侧的图案的对准孔。

图6a-图6e示出了输送板330。输送板330包括与热塑性聚合物框架一起包覆成型的多孔加湿器介质。图6a示出了输送板的俯视图。图6b示出了输送板的侧视图。图6c示出了输送板的俯视图。图6d是密封板的另一个视图。图6e是输送板的分解剖视图。热塑性聚合物框架331包括多个对准特征610。对准特征610与对准孔510对准以确保使密封板320正确地对准和取向。重复的板具有交替的进口300b和出口620a，从而允许在介质的两侧上流动以便当堆叠时形成多个交替的流道。咬合配合特征630构造成允许将这些板堆叠和紧固到一起，从而保持结构完整性所需的张力。根据输送板在加湿器堆200中的实际位置，将咬合配合特征630连接到相邻的输送板330或者连接到相邻的端板310（参见例如图7）。多孔加湿器介质包括将水分从介质潮湿侧转移至介质干燥侧的介质。在一个实施例中，多孔加湿器包括紧密编织的纤维素材料，该纤维素材料吸收水分并膨胀从而形成“密封”状态。在另一个实施例中，多孔加湿器介质包括分层的介质，该分层的介质具有被夹在两层非织造纤维素之间的一层非织造聚酯弹性体。然而，也可采用其它合适的介质。介质的重要特征是该介质阻止在干燥空气流与潮湿空气流之间的70%的空气转移，该介质允许水分的充分转移，并且该介质具有比热塑性聚合物框架高的熔点。

图7是一个示例性加湿器堆的分解剖视图。如上所述，第一进口300a允许空气在第一方向700a上沿在加湿器堆中由密封板和输送板所形成的第一通道流动至第一出口。第二进口300b允许空气在第二方向700b上沿在加湿器堆中由密封板和输送板所形成的第二通道流动至第二出口。密封板密封输送板的框架，从而防止空气或液体除经过出口外从加湿器堆中泄漏。此外，该密封措施防止在第一方向上的空气流穿越进入具有在第二方向上的空气流的通道。

图8示出了加湿器堆的端盖800及该端盖如何配合在加湿器堆上。端盖800包括开口810、端口820和脊部830。该开口的尺寸被设计成配合在加湿器堆的一侧上并且与导轨430接合。利用合适的技术，例如焊接工艺，将该端盖连接到加湿器堆。焊接工艺可包括但不限于：热板焊接、振动焊接、超声波焊接、和热气焊接。端盖包含合适的材料，例如聚合物、塑料、或金属。脊部提供额外的刚度和结构完整性。在另一个实施例中，脊部被省略，因为在无脊部的情况下端盖800具有充分的强度和刚度。端盖800适于用作进口端盖210a、b，并且端口起进口的作用。端盖也适于用作出口端盖220a、b，并且端口起出口的作用。

图9a示出了其中输送板330包括肋条900的一个实施例。这些肋条在预期空气流的方向上被模压成型到输送板的框架中，并且为转移介质提供支撑。图9b示出了具有替代的肋条图案的输送板，该肋条图案调整空气的流动路径。替代的肋条图案可以用于调整流动路径和长度。在图示的实施例中，肋条900被设计具有多个波纹和/或以波形图案被设计，以提供对流动特性的最有效的影响并且/或者获得可能增强转移性能的湍流。

图10a示出了间隔材料。图10b示出了其中设置间隔材料以便将转移介质支撑在输送板和密封板的各层之间的一个实施例。该间隔材料是非常多孔质的纺粘热塑性聚合物结构，该结构为转移介质提供支撑同时也提供湍流流路从而有助于将变化流动流分布在整个转移介质中，从而将水分与空气机械地隔开并分布在介质表面上。例如，该间隔材料可以是塑性材料或弹性体。

所公开系统的一个优点是重复的进口板和密封板允许许多加湿器堆尺寸的形成，以便根据用途所需的介质的量而服务于多种用途。构成芯部的部件将仍然是相同的，并且将简单地重复与所需的同样多的次数。就各加湿器堆尺寸而言，提供合适尺寸的新端盖。最小尺寸堆包括两个端板和一个输送板。添加输送板和密封板以提供能够将必需量的水分从潮湿空气转移至干燥空气的加湿器堆。此外，可改变这些板的尺寸，从而允许将加湿器堆安装到机动车辆中。

从详细的说明中，本发明的许多特征和优点是显而易见的。因此，所附权利要求意图是涵盖落在本发明的真实精神和范围内的本发明的所有这种特征和优点。此外，因为本领域技术人员将容易地想到许多修改和变型，所以不期望将本发明局限于所图示和描述的精确的结构和操作。因此，所有适当的修改和等效物可被包括在本发明的范围内。

尽管已参考具体实施例说明了本发明，但对于本领域技术人员显而易见的是可作出明确地落在本发明范围内的各种变更和修改。本发明意图是宽泛地被保护在所附权利要求的精神和范围内。