本發(fā)明涉及一種加濕器，例如用于燃料電池的加濕器。

背景技術(shù)：

在de102009034095a1、ep1261992b1、和美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)14/663,504中（這些專利的內(nèi)容以參考的方式并入本文中），描述了用于燃料電池的加濕器，該加濕器具有將用于潮濕空氣和干燥空氣的直通流道分隔開(kāi)的多個(gè)疊加膜。水分子從潮濕空氣流穿透這些膜而到達(dá)干燥空氣流，因此使干燥空氣富含水分?？梢詫⑷剂想姵氐呐艢庥米鞒睗竦倪M(jìn)氣流；該排氣的水分經(jīng)過(guò)膜被轉(zhuǎn)移到新鮮空氣流中，然后該新鮮空氣流被供給至燃料電池系統(tǒng)的進(jìn)口以便在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電流。將此過(guò)程示于圖1。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

期望提供一種具有可將水分以高效的方式從潮濕氣流轉(zhuǎn)移至干燥氣流的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)的加濕器，其中各氣流被相互分隔開(kāi)。

此外，期望提供一種高效地將水分轉(zhuǎn)移至干燥氣流同時(shí)限制氣體轉(zhuǎn)移至干燥氣流的加濕器。

在一個(gè)實(shí)施例中，加濕器芯部包括第一端板、第二端板、至少一個(gè)密封板、至少一個(gè)第一輸送板、和至少一個(gè)第二輸送板。第一端板具有第一對(duì)準(zhǔn)特征，并且第二端板具有第二對(duì)準(zhǔn)特征。至少一個(gè)密封板包括與具有對(duì)準(zhǔn)孔的彈性體密封件一起包覆成型（overmolded）的第一多孔介質(zhì)。至少一個(gè)第一進(jìn)口輸送板包括與具有進(jìn)口和出口的聚合物框架一起包覆成型的第二多孔介質(zhì)，這些進(jìn)口和出口是用于允許液體或氣體在多孔介質(zhì)的一側(cè)上在第一方向上流動(dòng)。至少一個(gè)第二輸送板包括與具有(進(jìn)口和出口的)聚合物框架一起包覆成型的第二多孔介質(zhì)。

基于以下對(duì)實(shí)施例的詳細(xì)描述將更充分地理解本發(fā)明的這些和其它特征和目的，該詳細(xì)描述應(yīng)根據(jù)附圖進(jìn)行閱讀。

在這方面，在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明并非將其應(yīng)用局限于在說(shuō)明書(shū)中所陳述的或者在附圖中所示出的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及各部件的布置。本發(fā)明能夠具有其它實(shí)施例，并且能夠以各種方式實(shí)施并實(shí)現(xiàn)。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是本文中所采用的用語(yǔ)和術(shù)語(yǔ)、以及摘要是為了描述的目的而不應(yīng)看作是限制性的。

因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是本公開(kāi)所基于的構(gòu)思可容易地用作用于設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的若干目的的其它結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，重要的是權(quán)利要求被視為包括這種等效結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈儾⒉槐畴x本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說(shuō)明

并入本說(shuō)明書(shū)中且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖圖解說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施例，并且連同描述一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。

圖1示出了用于具有被插入殼體中的盒的燃料電池的加濕器；

圖2示出了用于燃料電池的加濕器；

圖3a示出了加濕器堆；

圖3b示出了加濕器堆的分解視圖；

圖4a-圖4e示出了加濕器堆的端板；

圖5a-圖5d示出了加濕器堆的密封板；

圖6a-圖6e示出了加濕器堆的進(jìn)口板；

圖7示出了加濕器堆的剖視圖；

圖8示出了加濕器堆的端蓋；

圖9a和圖9b示出了其中進(jìn)口板包括支撐構(gòu)件的實(shí)施例；

圖10a示出了支撐介質(zhì)；

圖10b示出了在兩層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)之間的支撐介質(zhì)。

具體實(shí)施方式

在對(duì)附圖中所示出的本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行描述時(shí)，為了清楚起見(jiàn)將使用特定的術(shù)語(yǔ)。然而，本發(fā)明并非意圖局限于如此選擇的特定術(shù)語(yǔ)，應(yīng)當(dāng)理解的是各特定術(shù)語(yǔ)包括以類似的方式操作以實(shí)現(xiàn)類似的目的所有技術(shù)等效物。

圖1示出了用于燃料電池的加濕器1，利用該加濕器1將富含水分的新鮮空氣提供給燃料電池，所述新鮮空氣具有最小程度的濕度。在殼體2中，加濕器1具有盒3，該盒3是用于將排氣流7中所含有的水分轉(zhuǎn)移至提供給燃料電池的干燥新鮮空氣流6。盒3具有其中大部分的透水性纖維層彼此一個(gè)在另一個(gè)上堆疊的堆疊單元，各透水性纖維層將具有不同含濕量的空氣流6、7分隔開(kāi)。該纖維層將各空氣流相互隔離同時(shí)允許空氣流6與空氣流7之間的水分交換，因此干燥新鮮空氣流6從潮濕的排氣流7中吸收水分。

加濕器1的殼體2設(shè)置有新鮮空氣通道4，周?chē)諝饨柚谠撔迈r空氣通道4被引入作為新鮮空氣流6。新鮮空氣通道4包括在盒3上游的流入部4a和在盒3下游的流出部4b。

殼體2設(shè)置有排氣通道5，該排氣通道5相對(duì)于新鮮空氣通道4偏移90°的角度，并且借助于該排氣通道，富含水分的燃料電池的排氣作為排氣流7被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)盒3。排氣通道5具有在盒3上游的流入部5a、和在盒3下游的流出部5b。

新鮮空氣流6與排氣流7按照通道4和5以90°的角度對(duì)準(zhǔn)而相交；然而，在盒3內(nèi)部的空氣流6和7被透水性纖維層所隔離，這些透水性纖維層只允許從具有高含濕量的排氣流7到干燥新鮮空氣流6的水交換。

這兩個(gè)氣流可以以不同于附圖中所示的大致90°的角度而布置，例如在具有大致180°的兩個(gè)氣流之間的角度的逆流中的布置、或者其它有利的設(shè)計(jì)。

圖2示出了具有加濕器堆芯部200、兩個(gè)進(jìn)口端蓋210a-b、和兩個(gè)出口端蓋220a-b的燃料電池加濕器1。加濕器堆包括兩個(gè)端板、至少一個(gè)輸送板、和至少兩個(gè)密封板。輸送板包括第一進(jìn)口，所述第一進(jìn)口允許第一空氣流從第一進(jìn)口蓋210a進(jìn)入并且在轉(zhuǎn)移板的第一側(cè)上流動(dòng)到第一出口端蓋220a。輸送板包括第二進(jìn)口，所述第二進(jìn)口允許第二空氣流從第二進(jìn)口端蓋210b進(jìn)入并且在輸送板的第二側(cè)上流動(dòng)到第二出口端蓋220b。密封板防止空氣流泄漏到加濕器堆的其它層。輸送板包括框架和多孔加濕器介質(zhì)。第一空氣流是包含“干燥”空氣的空氣流，第二空氣流是包含“潮濕”空氣的空氣流。水分經(jīng)過(guò)多孔加濕器介質(zhì)從潮濕空氣流被轉(zhuǎn)移至干燥空氣流。下面將更詳細(xì)地對(duì)加濕器1和加濕器堆芯部200的特征進(jìn)行描述。

圖3a示出了無(wú)端蓋的加濕器堆芯部200。加濕器芯部200具有允許空氣流在第一方向上進(jìn)入加濕器堆芯部200的第一進(jìn)口300a。加濕器芯部堆200具有允許空氣流在基本上垂直于第一方向的第二方向上進(jìn)入加濕器堆芯部200的第二進(jìn)口300b。

圖3b示出了加濕器單元堆的分解視圖。該加濕器堆包括底端板310a，重復(fù)的密封板320、320a、320b，及輸送板330、330a。如上所述，輸送板330、330a包括允許空氣沿輸送板的第一側(cè)在第一方向上流動(dòng)的第一進(jìn)口300a。輸送板330、330a還包括允許空氣沿輸送板330、330a的第二側(cè)在第二方向上流動(dòng)的第二進(jìn)口300b。密封板320、320a、320b防止在一個(gè)輸送板的第一方向上的空氣流與在另一個(gè)輸送板的第二方向上的空氣流相互干擾。

圖4a-圖4e示出了端板的各種視圖。圖4a示出了端板310的外側(cè)。該外側(cè)是在加濕器外部上的那側(cè)并且不與密封板或輸送板相鄰。該外側(cè)可以是如圖示般的平滑，或者具有便于正確地安裝在車(chē)廂中的圖案。圖4b示出了端板310的側(cè)視圖。在圖示的實(shí)施例中，端板具有大致均勻的厚度。然而，在一個(gè)未圖示的替代實(shí)施例中，端板的中央部較厚，以提供額外的強(qiáng)度和剛度。圖4c是端板的內(nèi)側(cè)的俯視圖。圖4d是端板310的另一個(gè)視圖。圖4e是端板的分解視圖。端板包括與密封板320上的特征配合的對(duì)準(zhǔn)特征410、和與進(jìn)口板330配合的咬合特征420。端板還包括便于將端蓋210a-b、220a-b安裝到加濕器堆的導(dǎo)軌430。端板包含硬質(zhì)材料，例如塑料或金屬。

圖5a-圖5d示出了密封板320。密封板320包括與熱塑性彈性體密封件321一起包覆成型的多孔加濕器介質(zhì)。密封板320起轉(zhuǎn)移介質(zhì)的作用，并且在輸送板330與330a之間進(jìn)行密封。圖5a示出了密封板320的俯視圖。圖5b示出了密封板320的側(cè)視圖。圖5c是密封板320的另一個(gè)視圖。圖5d是密封板的分解剖視圖。熱塑性彈性體密封件321包括多個(gè)對(duì)準(zhǔn)孔510。在密封中的對(duì)準(zhǔn)孔510充當(dāng)與進(jìn)口板330和端板310的配對(duì)特征。對(duì)準(zhǔn)孔510也確保正確的組裝同時(shí)也有助于在包覆模制過(guò)程期間將介質(zhì)對(duì)準(zhǔn)和固定。多孔加濕器介質(zhì)包括將水分從介質(zhì)的潮濕側(cè)轉(zhuǎn)移至該介質(zhì)的干燥側(cè)的介質(zhì)，其被彈性體密封件321所包圍。在一個(gè)實(shí)施例中，多孔加濕器包括緊密編織的纖維素材料，該纖維素材料吸收水分并膨脹從而形成“密封”狀態(tài)。在另一個(gè)實(shí)施例中，多孔加濕器介質(zhì)包括具有被夾在兩層非織造纖維素之間的一層非織造聚酯彈性體的分層介質(zhì)。然而，也可采用其它的合適介質(zhì)。介質(zhì)的重要特征是該介質(zhì)阻止干燥空氣流與潮濕空氣流之間的70%的空氣轉(zhuǎn)移，該介質(zhì)允許水分的充分轉(zhuǎn)移，并且該介質(zhì)具有比熱塑性彈性體密封件更高的熔點(diǎn)。

在圖5a-圖5d中所示的實(shí)施例中，密封板的頂側(cè)大致與密封板的底側(cè)相同。此實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許更容易地組裝加濕器堆。在一個(gè)替代實(shí)施例中，密封板的底側(cè)包含具有不同于頂側(cè)的圖案的對(duì)準(zhǔn)孔。

圖6a-圖6e示出了輸送板330。輸送板330包括與熱塑性聚合物框架一起包覆成型的多孔加濕器介質(zhì)。圖6a示出了輸送板的俯視圖。圖6b示出了輸送板的側(cè)視圖。圖6c示出了輸送板的俯視圖。圖6d是密封板的另一個(gè)視圖。圖6e是輸送板的分解剖視圖。熱塑性聚合物框架331包括多個(gè)對(duì)準(zhǔn)特征610。對(duì)準(zhǔn)特征610與對(duì)準(zhǔn)孔510對(duì)準(zhǔn)以確保使密封板320正確地對(duì)準(zhǔn)和取向。重復(fù)的板具有交替的進(jìn)口300b和出口620a，從而允許在介質(zhì)的兩側(cè)上流動(dòng)以便當(dāng)堆疊時(shí)形成多個(gè)交替的流道。咬合配合特征630構(gòu)造成允許將這些板堆疊和緊固到一起，從而保持結(jié)構(gòu)完整性所需的張力。根據(jù)輸送板在加濕器堆200中的實(shí)際位置，將咬合配合特征630連接到相鄰的輸送板330或者連接到相鄰的端板310（參見(jiàn)例如圖7）。多孔加濕器介質(zhì)包括將水分從介質(zhì)潮濕側(cè)轉(zhuǎn)移至介質(zhì)干燥側(cè)的介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，多孔加濕器包括緊密編織的纖維素材料，該纖維素材料吸收水分并膨脹從而形成“密封”狀態(tài)。在另一個(gè)實(shí)施例中，多孔加濕器介質(zhì)包括分層的介質(zhì)，該分層的介質(zhì)具有被夾在兩層非織造纖維素之間的一層非織造聚酯彈性體。然而，也可采用其它合適的介質(zhì)。介質(zhì)的重要特征是該介質(zhì)阻止在干燥空氣流與潮濕空氣流之間的70%的空氣轉(zhuǎn)移，該介質(zhì)允許水分的充分轉(zhuǎn)移，并且該介質(zhì)具有比熱塑性聚合物框架高的熔點(diǎn)。

圖7是一個(gè)示例性加濕器堆的分解剖視圖。如上所述，第一進(jìn)口300a允許空氣在第一方向700a上沿在加濕器堆中由密封板和輸送板所形成的第一通道流動(dòng)至第一出口。第二進(jìn)口300b允許空氣在第二方向700b上沿在加濕器堆中由密封板和輸送板所形成的第二通道流動(dòng)至第二出口。密封板密封輸送板的框架，從而防止空氣或液體除經(jīng)過(guò)出口外從加濕器堆中泄漏。此外，該密封措施防止在第一方向上的空氣流穿越進(jìn)入具有在第二方向上的空氣流的通道。

圖8示出了加濕器堆的端蓋800及該端蓋如何配合在加濕器堆上。端蓋800包括開(kāi)口810、端口820和脊部830。該開(kāi)口的尺寸被設(shè)計(jì)成配合在加濕器堆的一側(cè)上并且與導(dǎo)軌430接合。利用合適的技術(shù)，例如焊接工藝，將該端蓋連接到加濕器堆。焊接工藝可包括但不限于：熱板焊接、振動(dòng)焊接、超聲波焊接、和熱氣焊接。端蓋包含合適的材料，例如聚合物、塑料、或金屬。脊部提供額外的剛度和結(jié)構(gòu)完整性。在另一個(gè)實(shí)施例中，脊部被省略，因?yàn)樵跓o(wú)脊部的情況下端蓋800具有充分的強(qiáng)度和剛度。端蓋800適于用作進(jìn)口端蓋210a、b，并且端口起進(jìn)口的作用。端蓋也適于用作出口端蓋220a、b，并且端口起出口的作用。

圖9a示出了其中輸送板330包括肋條900的一個(gè)實(shí)施例。這些肋條在預(yù)期空氣流的方向上被模壓成型到輸送板的框架中，并且為轉(zhuǎn)移介質(zhì)提供支撐。圖9b示出了具有替代的肋條圖案的輸送板，該肋條圖案調(diào)整空氣的流動(dòng)路徑。替代的肋條圖案可以用于調(diào)整流動(dòng)路徑和長(zhǎng)度。在圖示的實(shí)施例中，肋條900被設(shè)計(jì)具有多個(gè)波紋和/或以波形圖案被設(shè)計(jì)，以提供對(duì)流動(dòng)特性的最有效的影響并且/或者獲得可能增強(qiáng)轉(zhuǎn)移性能的湍流。

圖10a示出了間隔材料。圖10b示出了其中設(shè)置間隔材料以便將轉(zhuǎn)移介質(zhì)支撐在輸送板和密封板的各層之間的一個(gè)實(shí)施例。該間隔材料是非常多孔質(zhì)的紡粘熱塑性聚合物結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)移介質(zhì)提供支撐同時(shí)也提供湍流流路從而有助于將變化流動(dòng)流分布在整個(gè)轉(zhuǎn)移介質(zhì)中，從而將水分與空氣機(jī)械地隔開(kāi)并分布在介質(zhì)表面上。例如，該間隔材料可以是塑性材料或彈性體。

所公開(kāi)系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)的進(jìn)口板和密封板允許許多加濕器堆尺寸的形成，以便根據(jù)用途所需的介質(zhì)的量而服務(wù)于多種用途。構(gòu)成芯部的部件將仍然是相同的，并且將簡(jiǎn)單地重復(fù)與所需的同樣多的次數(shù)。就各加濕器堆尺寸而言，提供合適尺寸的新端蓋。最小尺寸堆包括兩個(gè)端板和一個(gè)輸送板。添加輸送板和密封板以提供能夠?qū)⒈匦枇康乃謴某睗窨諝廪D(zhuǎn)移至干燥空氣的加濕器堆。此外，可改變這些板的尺寸，從而允許將加濕器堆安裝到機(jī)動(dòng)車(chē)輛中。

從詳細(xì)的說(shuō)明中，本發(fā)明的許多特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。因此，所附權(quán)利要求意圖是涵蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的本發(fā)明的所有這種特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員將容易地想到許多修改和變型，所以不期望將本發(fā)明局限于所圖示和描述的精確的結(jié)構(gòu)和操作。因此，所有適當(dāng)?shù)男薷暮偷刃锟杀话ㄔ诒景l(fā)明的范圍內(nèi)。

盡管已參考具體實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是可作出明確地落在本發(fā)明范圍內(nèi)的各種變更和修改。本發(fā)明意圖是寬泛地被保護(hù)在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。