本发明涉及一种用于加湿过程气体(prozessgas)的、尤其用于燃料电池的加湿器，其具有可透过水蒸气的膜片以及用于分离水的分离元件，其中，膜片在第一侧上与用于湿的第一气体流的第一通道处于接触并且在第二侧上与用于待加湿的干燥的第二气体流的第二通道处于接触；一种带有加湿器的燃料电池系统；以及一种车辆，其具有这种加湿器或这种燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池利用燃料与氧气化学转化成水来生成电能。为此，作为核心构件，燃料电池含有所谓的膜片电极单元(membraneelectrodeassembly，缩写mea)，该膜片电极单元是由可传递离子的(大多数情况下可传导质子的)膜片和分别在两侧布置在膜片处的催化电极(阳极和阴极)组成的结构。后者包括主要载有的贵金属、尤其铂。此外，气体扩散层(gdl)可在膜片电极单元两侧布置在电极的背离膜片的侧处。通常，燃料电池通过多个布置成堆垛(stack)的mea形成，其电功率累加。在各个膜片电极单元之间通常布置有双极板(也称为流量场板(flussfeldplatte))，其保证利用运行介质、即反应物供给单电池(einzelzelle)并且通常也用于冷却。此外，双极板用于与膜片电极单元的导电接触。
在燃料电池的运行中，燃料(阳极运行介质)、尤其氢气h2或含氢气的气体混合物通过双极板的在阳极侧敞开的流量场被输送给阳极，在该处，在释放电子的情况下进行从h2到h+的电化学的氧化(h2→2h++2e-)。通过使反应腔气体密封地彼此分离且电绝缘的电解质或膜片，进行质子h+从阳极腔到阴极腔中的含水或无水的运输。在阳极处提供的电子通过电导线引向阴极。通过双极板的在阴极侧敞开的流量场将氧气或含氧气的气体混合物(例如空气)输送给阴极，从而，在吸收电子的情况下进行从o2到o2-的还原(½o2+2e-→o2-)。同时，在阴极腔中，氧阴离子在形成水的情况下与通过膜片运输的质子反应(2h++o2-→h2o)。
目前最为发展的燃料电池技术基于聚合物电解质膜片(pem)，在其中，膜片由被加湿的聚合电解质(例如nafion®)形成并且通过水合的质子进行含水的电解传导。为了传导质子，这种类型的聚合物电解质膜片依靠水的存在。为此，在一定的温度之下，阴极形成的产物水还可足够作为用于膜片的加湿的湿气源。然而相反地，在较高的温度时，湿气越来越多地随着阴极废气从燃料电池堆垛中排放。为了在此克服燃料电池膜片的干燥，必须通过主动地输送水补偿湿气排放。
因此已知的是，使用外部的加湿设备(加湿器)，以便加湿待输送给燃料电池的过程气体、主要待输送给阴极腔的空气。在此，尤其使从堆垛中随着阴极腔的排放空气排放的湿气的一部分引回。
燃料电池系统的阳极/阴极废气路径此外可具有涡轮，以便通过废气的泄压获得能量，例如以便用于驱动在阳极/阴极供给路径中的压缩机。通过在废气中包含的液态水或冷凝物形成可损害该涡轮。因此，涡轮通常在废气管路中布置在加湿器下游并且如有可能在附加的脱水器下游。从现有技术中，已知加湿器和脱水器的不同的相对布置方案。
文献de102012018863a1公开了一种气体/气体加湿设备，其由流动至燃料电池的运行介质流且由从燃料电池流出的废气流穿流，该运行介质流和废气流在加湿设备的内部中由可透过水蒸气的膜片分离。此外，气体/气体加湿设备具有集成的脱水器，其在湿的废气的流动方向上集成在膜片之后。
在文献de102013003599a1中公开了一种在燃料电池系统中的相似设计的加湿器，其中，在此撞击保护(prallschutz)防止进入到加湿器中的湿的气体不是直接撞到膜片上且其通过液态的水添加。
文献de102012014611a1描述了一种用于燃料电池系统的分离器，该分离器使用亲水的膜片，液态水可穿过该亲水的膜片并且由此可与气体流分离。
带有布置在下游的分离器的上述加湿器具有的缺点是，不能可靠地保证加湿器的膜片均匀被加湿。
技术实现要素：
现在，本发明的任务在于，提出一种用于燃料电池系统的加湿器，其至少部分地克服现有技术的缺点并且实现在燃料电池的废气和运行介质流之间的优化的湿气交换。
根据本发明，提供一种用于加湿过程气体的、尤其用于燃料电池的加湿器，其具有可透过水蒸气的膜片以及用于分离水(水蒸气)的分离元件，其中，膜片在第一侧上与用于含水蒸气的且因此湿的第一气体流的第一通道处于接触，并且在第二侧上与用于待加湿的干燥的第二气体流的第二通道处于接触，其中，多个独立的分离元件布置在膜片的第一侧上。
因此，有利地，例如在燃料堆垛、或燃料电池系统中，可将来自燃料电池堆垛的排出空气的湿气的一部分传递到用于燃料电池堆垛的干燥的输送空气(zuluft，有时也称为送风)处，从而燃料电池的功率密度和使用寿命在高温下的运行中增加。除了燃料电池的功率密度和使用寿命的提到的增加以外，常常需要分离水，因为在燃料电池系统中，排出空气(abluft)被引导通过涡轮，以便从排出空气中回收剩余能量，例如热能和压力能，其中，水滴将损害该涡轮。
此外，通过实现将脱水器集成到加湿器中，如有可能仅仅需要另一排在加湿器之后的脱水器。
对于本领域技术人员来说，适合用于使用在根据本发明的加湿器中的亲水膜片是已知的。例如，膜片可具有全氟磺酸型聚合物(nafion)或由全氟磺酸型聚合物组成。
优选地，根据本发明的加湿器为板形加湿器，其具有平的膜片，其中，可重复构造由第一、第二通道、膜片和分离元件组成的提到的结构，以便获得加湿器堆垛，其可通过膜片面积的增大有利地与不同燃料电池系统的相应给出的条件相匹配。
分离元件优选地到膜片的面上分布地布置，以便在整个面上分离加湿膜片的水，从而有利地实现加湿器的提高的效率，然而不减小气体流的速度，这导致不期望的压力波动。
分离元件优选地由多个邻接膜片的流动桥接部(strömungssteg)固定，其此外将气体流有针对性地导引到膜片上，以引起在两个气体流之间最优的湿气交换。此外有利地，流动桥接部可附加地用作分离元件。
分离元件也有利地用于支撑或稳定膜片。
相应的流动桥接部也可设置在膜片的第二侧上，以便使待加湿的气体流转向。
流动桥接部优选地直线地伸延，然而也设置有流动桥接部的优选的实施方式，在其中，例如当流动桥接部同样应至少部分地用作分离元件时，流动桥接部非直线地引导。
分离元件优选地具有相应于第一通道的高度。相反地，流动桥接部同样可具有该高度，并且但是也可具有更小的高度，因为在更小的高度时也进行气体流的转向。如果流动桥接部也至少部分地设计成分离元件，相应于第一通道的高度的高度是优选的。
分离元件以及如有可能同样流动桥接部优选地至少部分地如此构造，使得其可容纳与膜片处于接触的液体体积，从而有利地，即使当在燃料电池系统的确定的运行状态中在排出空气中积累有更少的水时，也总是充分地提供水供加湿使用。
为了构造这种类型的分离元件，其必须相对于重力具有可容纳水的凹处。该凹处实施成相对膜片、且优选地相对通道的壁部敞开。
根据本发明的一种特别优选的实施方式，加湿器具有用于收集在膜片处流下而未穿过该膜片的经分离的水的捕获容器。该捕获容器布置在膜片的区域中并且此外与第一通道相连接。因为捕获容器不能容纳所有在燃料电池系统的确定的运行状态中积累的水，其优选地具有排出开口，排出开口可构造成溢流口(überlauf)和/或可控制的排出阀。
在捕获容器的区域中足够的是，分离元件仅仅用于分离并且不附加地用于容纳液体体积。
该捕获容器此外对于在其中不再需要水的运行状态用作用于水的贮存器。为此，膜片优选地如此构造，使得其间接或直接伸入到捕获容器中以吸进水。
如已经阐述的那样，分离元件以及如有可能同样流动桥接部可如此构造，使得其可容纳与膜片处于接触的液体体积。在该实施方式中，邻近捕获容器的分离元件以及如有可能流动桥接部可实施成纯粹的分离元件。
根据一种优选的实施方式，分离元件和/或流动桥接部可由多孔的材料组成，从而由此可在膜片附近储存水并且在需要时输出水。
此外可设置成，膜片在第一侧上部分地设有多孔覆层，并且在该覆层由湿的气体溢流之后才可优选地还使用分离元件。覆层优选地伸入用于由分离元件分离的水的捕获容器中，从而通过由覆层引起的灯芯效应(dochteffekt)的形式将已分离的水输送给整个膜片。
加湿器可如此构造，使得以交叉流动、对流或顺流的方式引导第一气体流和第二气体流。与之相应地设计提到的流动桥接部。
此外，根据本发明对一种燃料电池系统要求保护，其具有燃料电池堆垛，该燃料电池堆垛具有：阳极供给部，其带有用于将阳极运行介质输送给燃料电池堆垛的阳极供给路径和用于从燃料电池堆垛导出阳极废气的阳极废气路径；阴极供给部，其带有用于将阴极运行介质输送给燃料电池堆垛的阴极供给路径和用于从燃料电池堆垛导出阴极废气的阴极废气路径，其中，加湿器布置在阳极供给部和/或阴极供给部中。
此外，本发明的对象是带有根据本发明的加湿器或燃料电池系统的车辆。
本发明的另外的优选的设计方案从其余的在从属权利要求中所提到的特征中得出。
只要在个别情况中没有不同地阐述，本发明的在该申请文献中所提到的不同实施方式有利地可相互组合。
附图说明
本发明以下在实施例中根据附图来解释。其中：
图1以示意图示出了带有加湿器的根据本发明的燃料电池系统，
图2以示意性的剖面图示出了带有分离元件和线性的流动通道的根据本发明的加湿器，
图3以示意性的剖面图示出了根据第二实施方式的带有分离元件和线性的流动通道的根据本发明的加湿器，
图4以示意性的剖面图示出了带有设计成用于容纳液体体积的分离元件和线性的流动通道的根据本发明的加湿器，
图5以示意性的剖面图示出了根据第二实施方式的带有设计成用于容纳液体体积的分离元件和线性的流动通道的根据本发明的加湿器，
图6以示意性的剖面图示出了带有设计成用于容纳液体体积的分离元件和波形的流动通道的根据本发明的加湿器，以及
图7以示意性的剖面图示出了带有分离元件和构造成用于容纳液体体积的多孔的分离元件的根据本发明的加湿器。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一种优选的设计方案的整体以100表示的燃料电池系统。燃料电池系统100是未进一步示出的车辆、尤其具有电牵引马达的电动车的一部分，该电牵引马达通过燃料电池系统100供给以电能。
作为核心构件，燃料电池系统100包括燃料电池堆垛10，其具有多个布置成堆垛形式的单电池11。每个单电池11分别包括阳极腔12以及阴极腔13，所述阳极腔12和阴极腔13通过可传递离子的聚合物电解质膜片14相互分离(见局部细节)。阳极腔12和阴极腔13分别包括催化电极、阳极或阴极(未示出)，其催化燃料电池转化的相应的部分反应。阳极和阴极电极具有催化材料、例如铂，其以被承载的方式存在于大的特定表面的导电载体材料、例如以碳为基础的材料上。在两个这种膜片电极单元之间，此外分别布置以15表明的双极板，其用于将运行介质输送到阳极腔12和阴极腔13中，并且此外在各个燃料电池11之间建立电连接。
为了利用运行气体供给燃料电池堆垛10，燃料电池系统100一方面具有阳极供给部20并且另一方面具有阴极供给部30。
阳极供给部20包括阳极供给路径21，该阳极供给路径21用于将阳极运行介质(燃料)、例如氢气输送到燃料电池堆垛10的阳极腔12中。为了该目的，阳极供给路径21将燃料储存器23与燃料电池堆垛10的阳极输入部相连接。此外，阳极供给部20包括阳极废气路径22，其通过燃料电池堆垛10的阳极输出部将阳极废气从阳极腔12中导出。可通过在阳极供给路径21中的调整器件24调整在燃料电池堆垛10的阳极侧12上的阳极运行压力。此外，阳极供给部20如所示出的那样可具有燃料再循环管路25，该燃料再循环管路25将阳极废气路径22与阳极供给路径21相连接。燃料的再循环通常用于将大部分过化学计量(überstöchiometrisch)应用的燃料引回给燃料电池堆垛并且进行利用。示例性地，在燃料再循环管路25中布置有压缩机26，利用该压缩机26可调整再循环率。
阴极供给部30包括阴极供给路径31，该阴极供给路径31将含氧的阴极运行介质、尤其从周围环境中吸取的空气输送给燃料电池堆垛10的阴极腔13。此外，阴极供给部30包括阴极废气路径32，该阴极废气路径32将阴极废气(尤其排出空气)从燃料电池堆垛10的阴极腔13中导出并且如有可能将其输送给未示出的排气设备。
为了输送和压缩阴极运行介质，在阴极供给路径31中布置有压缩机33。在所示出的实施例中，压缩机33设计成主要电动驱动的压缩机，其驱动通过配备有相应的功率电子装置35的电动机34实现。此外，压缩机33可通过布置在阴极废气路径32中的涡轮36(如有可能带有可变的涡轮几何结构)以辅助的方式通过共同的轴(未示出)驱动。
此外，燃料电池系统100具有根据本发明的加湿器37。加湿器37一方面如此布置在阴极供给路径31中，以至于其可由阴极运行气体穿流。另一方面，该加湿器37如此布置在阴极废气路径32中，以至于其可由阴极废气穿流。加湿器37具有多个构造成面型的、可透过水蒸气的膜片38。在此，膜片38的一侧由相对干燥的阴极运行气体(空气)溢流，并且另一侧由相对湿的阴极废气(废气)溢流。通过在阴极废气中的水蒸气处的较高的部分压力进行传动，产生水蒸汽通过膜片到阴极运行气体中的转移，其以这种方式被加湿。
此外，阴极废气路径的排在加湿器37之后的部分在涡轮36之前具有脱水器38，其防止涡轮免于通过同样还在加湿器37的穿流之后在阴极废气中携带的水蒸气引起的损坏。
出于可见性的原因，在简化的图1中未示出阳极供给部20和阴极供给部30的另外的不同细节。因此，在阳极废气路径22中也可构建有脱水器，以便冷凝和引出由燃料电池反应产生的产物水。最终，阳极废气管路22通到阴极废气管路32中，从而阳极废气和阴极废气通过共同的排气设备导出。阴极供给部30也可具有废气门管路(wastegate-leitung)，其将阴极供给管路31与阴极废气管路32相连接，即，呈现燃料电池堆垛10的旁路(bypass)。
燃料电池系统100的全部调整器件24,26,38可构造成可调节的或不可调节的阀或阀片(klappe)。为了能够使燃料电池堆垛10与周围环境隔绝，在管路21,22,31和32中可布置有相应的另外的调整器件。
为了更好的可见性，加湿器37的在图2至7中示出的实施方式强烈简化地且透视地非正确地示出。膜片38始终位于绘图平面(bildebene)中，膜片38在第一侧40上邻接到带有湿的第一气体流(如相对图1解释的阴极废气)的第一通道41处，并且在第二侧42上邻接到带有待加湿的第二气体流(阴极运行气体)的第二通道43处。即，在朝向图2至7中的膜片的俯视图中，可看到第一侧40，通过该第一侧40湿的第一气体流在通道41中流动。通过箭头44以符号的方式表示的被分离的水在重力g的方向上被导引通过膜片38。三个膜片38和第一通道41和第二通道43固定在为未示出的罩壳的一部分的框架45中。此外，框架45包括用于液态水的捕获容器46，该液态水在膜片38的区域中被分离，并且如通过箭头44表明的那样随着重力g到达捕获容器46布置在其中的膜片38的下端部处并且被引入到其中。通过加湿器37的该设计方案，即使当在燃料电池系统100的相应的运行状态中仅仅给出第一气体流的低的湿气含量时，通过膜片38通过灯芯效应克服重力g将水从捕获容器中输送到膜片38的干燥的区域中，通过位于捕获容器46中的水也进行膜片38的加湿。捕获容器可具有在此未示出的溢流口、排出阀或类似物，以引出过量的水。
在湿的气体流在其上被沿着引导的膜片38的第一侧40上，彼此平行地布置有线性的流动桥接部47，其将气体流导引到膜片38的整个面上并且支撑膜片38，如可在图2至5和7中看出的那样。优选地，流动桥接部47具有如带有湿的气体流的第一通道41较小的高度，从而液态的水可轻易到达捕获容器46。如在图2,3,7中示出的那样，在流动桥接部47处布置有分离元件48，在该分离元件48处在湿的气体流中携带的水被分离并且然后在重力的方向上通过膜片38被引出并且在此将该膜片38加湿。如所描述的那样，在分离元件38处进行液态水的分离，并且同时膜片30也通过湿的气体流自身在面中被加湿。这适用于加湿器37的所有实施方式。分离元件48可相叠地(图2)或者彼此错位地(图3)布置在流动桥接部47处。也设置成，分离元件不均匀地分布到膜片38的面上，以便例如利用分离元件48辅助集中加湿典型地比其它区域更干燥的膜片38的区域。优选地，分离元件48的高度相应于第一通道的高度，以实现尽可能高的效率并且支撑膜片38。但是，分离元件48也可具有不同高度，从而到膜片38的面上可有针对性地更集中地加湿确定的区域。
在捕获容器46的区域中同样设置有分离元件48，然而在此优选地不需要流动桥接部47，从而分离元件48在不使用流动桥接部47的情况下布置成邻接膜片38。这涉及所有根据图2至7的实施方式。
在图4中示出了加湿器37的分离元件48的一种尤其优选的实施方式，在其中，如此构造分离元件48，使得其容纳邻接膜片38的确定体积的液态水(液体体积)。这通过以下方式实现，即，在分离元件48中相对于重力g构造有可容纳被分离的水的凹处(vertiefung)。分离元件48或其凹处构造成朝向膜片38敞开，从而在分离元件48的凹处中的水与膜片38处于直接接触。优选地，带有凹处的分离元件48的高度相应于第一通道41的高度，从而凹处在另一侧上优选地通过第一通道41的壁部限制。在该侧上，凹处也可构造成封闭的，然而由此给出提高的制造成本，从而敞开的实施方案是优选的。在捕获容器46的区域中的分离元件48可在没有凹处的情形中成型，因为在此在捕获容器46中的水供膜片38的加湿使用。
图5示出了分离元件48的相对于图4备选的设计方案，其如此构造，使得其可容纳邻接膜片38的确定体积的液态水(液体体积)。在此，该分离元件48通过弯折的材料条带(materialstreife)构造，其弯折部(knick)形成用于容纳液态水的凹处。那么，如在上述实施方式中那样，水直接与膜片38和第一通道41的壁部处于接触。如在图4中描述的那样，在捕获容器46的区域中的分离元件48构造成没有凹处。
图6示出了加湿器37的一种实施方式，在其中，流动桥接部47设计成波形的，从而有利地将湿的气体引导到膜片的更大的区域上并且可实现更均匀的加湿。匹配于流动桥接部47的波形的设计方案，在该处设置有分离元件48，其同样具有用于容纳水的凹处。与图4和5的实施方式相似地实施凹处的侧向上的限制。在波形的流动桥接部47的最高点处布置有附加的分离元件49，其仅仅分离但是保持不与膜片38处于接触的水。如在图4中描述的那样，在捕获容器46的区域中的分离元件48构造成没有凹处。
在图7的加湿器37的一种实施方式中，膜片38的一部分以多孔层50覆盖，由该多孔层50吸收气体流的湿气的大部分并且将其均匀地输出到膜片38处以用于加湿。为膜片38的这样的部分(当已经经过了多孔层50时该部分才由气体流溢流)再次设置分离元件48，该分离元件48布置在流动桥接部37处，从而未通过与多孔覆层50的接触而分离的水的部分可从气体流中移除。在分离元件48处经分离的水到达捕获容器48中，设有多孔覆层50的膜片38伸入该捕获容器48中并且又吸进该被分离的水，从而该水也可分布到膜片38上。在捕获容器46的区域中未构造如在图4中描述的没有凹处的分离元件48。
附图标记列表
100燃料电池系统
10燃料电池堆垛
11单电池
12阳极腔
13阴极腔
14聚合物电解质膜片
15双极板
20阳极供给部
21阳极供给路径
22阳极废气路径
23燃料箱
24调整器件
25燃料再循环管路
26压缩机
30阴极供给部
31阴极供给路径
32阴极废气路径
33压缩机
34电动机
35功率电子装置
36涡轮
37加湿器
38膜片
39分离器
40第一侧
41第一通道
42第二侧
43第二通道
44箭头
45框架
46捕获容器
47流动桥接部
48分离元件
49附加的分离元件
50多孔覆层
g重力。