(57)【要約】  本発明は、加湿器（１）の流動板（２２；４７；５２）であって、流動板（２２；４７；５２）の互いに対向する平坦な両面（２１、２７）に流動場（２８、２９）を有する流動板（２２；４７；５２）に関する。この種の加湿器は、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿するためまたはＨＶＡＣアプリケーションに用いられる。湿度交換は水交換膜に直接隣接する層の間のみで通常行われるので、従来の加湿器は、より低い出力を有している。ここで、提案される流動板は、複数の貫通開口部（４０、４８）を有し、複数の貫通開口部（４０、４８）は、流動板（２２；４７；５２）の平坦な表面の平面に対して平行に配向された面上に複数の貫通開口部（４０、４８）を垂直方向に投影すると、ゼロではない面積を有するように設計され、その結果、複数の貫通開口部（４０、４８）を通過するガスは、流動板（２２；４７；５２）の平坦な表面の平面に対して垂直な流動場にガイドされるガスの少なくとも部分的な混合をもたらす。複数の貫通開口部（４０、４８）は、加湿器の出力を改善し、よって、より少ない数の流動板、従って、より軽量でよりコンパクトな設計を可能にする。
2019533282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿器、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿する加湿器またはＨＶＡＣアプリケーション用の加湿器の流動板であって、前記流動板は、前記流動板の互いに対向する平坦な両面に設けられている流動場と、前記流動場の領域に複数の貫通開口部とを有し、前記複数の貫通開口部は、前記流動板の平坦な表面に対して平行に配向された面上に前記複数の貫通開口部を垂直方向に投影すると、ゼロではない面積を有するように形成されることにより、前記複数の貫通開口部を通過するガスは、前記流動場においてガイドされるガスにより前記流動板の前記平坦な表面に対して垂直に少なくとも部分的に混合される、流動板。
【請求項２】
前記流動場の前記領域に、ガイド構造であって、プレート表面に沿って流動するガスを前記複数の貫通開口部を通って前記流動場または前記流動板の反対側の前記平坦な面の前記流動場に搬送するので、前記流動板の前記平坦な表面に対して垂直な前記ガスの混合を促進させるよう設計される、ガイド構造を有する、請求項１に記載の流動板。
【請求項３】
前記流動板は、金属から形成され、好ましくはステンレス鋼から形成される、請求項１または２に記載の流動板。
【請求項４】
前記流動板は、金属シートとして形成され、前記金属シートの厚みは、前記流動板の前記平坦な表面に対して垂直に決定され、最大で１５０μｍ、好ましくは最大で１００μｍ、特に好ましくは最大で８０μｍの厚さを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項５】
前記流動板は、１つの層で形成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項６】
前記流動板および前記ガイド構造は、一体的に形成される、請求項２に記載の流動板。
【請求項７】
前記ガイド構造は、前記流動板に金型成形、特にプレス加工される、請求項２または６に記載の流動板。
【請求項８】
前記ガイド構造のそれぞれは、前記複数の貫通開口部の所まで到達する、請求項２、６および７のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項９】
前記複数の貫通開口部は、前記流動板に少なくとも部分的にプレス加工される、請求項１から８のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１０】
前記複数の貫通開口部は、前記流動板の切開によって形成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１１】
前記切開は、舌状、リブ状、または殻状のガイド構造を形成し、前記ガイド構造は、前記複数の貫通開口部を形成すべく、前記流動板の前記平坦な表面から少なくとも複数の領域において外側に曲げられ、より具体的に好ましくは、前記流動板の前記平坦な表面に対して少なくとも部分的に垂直に曲げられる、舌状、リブ状、または殻状のガイド構造を形成する、請求項１０に記載の流動板。
【請求項１２】
前記ガイド構造のそれぞれは、少なくとも複数の区域において、前記流動板の前記平坦な表面と少なくとも４５度の角度、好ましくは少なくとも７５度の角度、特に好ましくは少なくとも８０度の角度を画定する、請求項２、および６から８のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１３】
前記ガイド構造は、それぞれが開いた側面を有するリブとして形成される、請求項２、６から８および１２のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１４】
水交換膜または複合膜を支持すべく、前記ガイド構造は、前記流動板から突出する端部で、少なくとも複数の区域において、前記平坦な表面に対して平行に配向され、および／または前記流動板の前記平坦な表面に向かって曲げられる、請求項２、６から８、１２および１３のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１５】
第１のガイド構造であって、前記流動板の第１の平坦な面において前記流動板から突出する、第１のガイド構造と、第２のガイド構造であって、前記第１の平坦な面の反対側の前記流動板の第２の平坦な面において前記流動板から突出する、第２のガイド構造とを有する、請求項２から１４のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１６】
前記複数の貫通開口部および／または前記ガイド構造は、周期的に互いから離れて配置される、請求項２、６から８および１２から１４のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項１７】
前記複数の貫通開口部および／または前記ガイド構造は、第１の方向および第２の方向に沿って、前記流動板の前記平坦な表面に対して平行に、周期的に互いから離れて配置される、請求項１６に記載の流動板。
【請求項１８】
前記第１の方向に沿って決定される、隣接する貫通開口部および／または隣接するガイド構造の間の第１の距離は、前記第２の方向に沿って決定される、隣接する貫通開口部および／または隣接するガイド構造の間の第２の距離と異なる、請求項１７に記載の流動板。
【請求項１９】
前記第１の方向および前記第２の方向は、互いに対して垂直である、請求項１７または１８に記載の流動板。
【請求項２０】
前記流動板の前記第１の平坦な面から突出する前記第１のガイド構造および前記流動板の前記第２の平坦な面から突出する前記第２のガイド構造は、第１の方向および／または第２の方向に沿って交互に配置される、請求項１５に記載の流動板。
【請求項２１】
前記流動場は、チャネル構造体を有する、請求項１から２０のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項２２】
前記ガイド構造は、前記プレート表面に沿ってガイドされるガスの混合を改良すべく、前記流動板の前記平坦な表面に対して平行に決定される前記ガイド構造の断面が、前記流動板の前記平坦な表面に対して垂直な方向に沿って可変であるように形成される、請求項２、６から８、１２から１４および１６いずれか一項に記載の流動板。
【請求項２３】
前記流動板を通る加湿されるガスおよび加湿されたガス、または、除湿されるガスおよび除湿されたガスの通路のための排出口を有し、前記排出口は、前記流動場と流体的に接続される、請求項１から２２のいずれか一項に記載の流動板。
【請求項２４】
加湿器、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿する加湿器またはＨＶＡＣアプリケーション用の加湿器であって、請求項１から２３のいずれか一項に記載の流動板を複数積み重ねられた状態で有する、加湿器。
【請求項２５】
加湿器、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿する加湿器またはＨＶＡＣアプリケーション用の加湿器であって、請求項２３に記載の流動板を複数積み重ねられた状態で有し、積み重ねられた前記流動板の前記排出口は、一直線に配置されて、加湿されるガス、加湿されたガス、除湿されるガスおよび除湿されたガスをガイドするための前記積み重ねられた流動板を通るラインを形成する、加湿器。
【請求項２６】
水交換膜または複合膜は、積み重ねられた流動板内の隣接する流動板の間に配置され、前記複合膜は、水交換膜および少なくとも１つのガス拡散層を含み、好ましくは前記水交換膜の両側に１つずつ配置される２つのガス拡散層を含む、請求項２４または２５に記載の加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、加湿器の流動板に関し、好ましくは、プロセスガスを加湿するのに用いられる加湿器の流動板、およびこの種の流動板を備える加湿器、例えば、電気化学システムに用いられる加湿器の流動板に関する。上記電気化学システムは、例えば、燃料電池システム、電気化学コンプレッサ、電気分解装置または同様のものであり得る。電気化学システムの分野における応用に加えて、加湿器は、建築技術および乗り物の空気管理の分野、すなわち、「暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）」の用語によって要約される分野において、空気を処理するために用いられ得る。
【背景技術】
【０００２】
この種の加湿器は、例えば、発電するために水素および／または酸素分子もしくは空気で動作する燃料電池用のプロセスガスを加湿するのに用いられ得る。この種の燃料電池の動作に通常用いられる陽子交換膜は、耐久性を高めて効率性を向上させるべく、温度および湿度に関して可能な限り安定であるという条件を要求する。この理由から、燃料電池に供給されるプロセスガスは、加湿器内で所望の安定した湿度に通常設定される。この種の加湿器は、ガスをガイドするための流動場が平坦な側面上に通常設けられている流動板を有する。流動場は、チャネル構造体を有し得、例えば、チャネルは、典型的には透水性膜の形態または透水性膜を有する複合膜の形態である水移動媒体に隣接する。
【０００３】
この種のアセンブリは、通常複数の積み重ねられた流動板を備え、複数の積み重ねられた流動板の間に水移動膜または水移動膜を有する複合膜が配置される。水移動膜に加えて、複合膜は、支持体として少なくとも１つのガス拡散層またはＧＤＬを典型的に有する。例えば、ＧＤＬは、移動膜の２つの側面のそれぞれに配置され得る。ＧＤＬは、例えば、不織布として、織布として、または、多層布として形成され得る。膜の重要な特性は、膜はガス不透過性であるが水移動膜と水移動膜を取り囲むガスとの間で水分を交換することを可能にする、という事実にある。
【０００４】
例えば、水移動膜または複合膜の片側では隣接する流動板の流動場を通るよう相対的に高湿度のガスがガイドされ、水移動膜の反対側では相対的に低湿度のガスが第２の流動板の流動場を通過することが提供され得る。この場合、水移動膜または複合膜の１つの側面の相対的に高湿度のガスが水分を膜に放出し、一方、反対側では、膜が水分を相対的に低湿度のガスに放出する。水移動膜の両側面に配置された流動場は、流動場の間に配置された水移動膜と共にまたは流動場の間に配置された複合膜と共に加湿セルを形成する。
【０００５】
水移動膜は、記載されている加湿器の製造コストのかなりの割合を占め、従って、水移動膜の面積を最小化すること、故にいずれの場合にも流動板の面積も最小化することが通常求められる。従って、流動板の流動場を通るガスの効率的なガイドは、極めて重要である。なぜなら、膜を介した水分の移動によるガスの予め定められた湿度は、可能な限り最大限まで最小化された交換領域にわたって確実に設定されなければならないからである。
【０００６】
これに関して、ガスの流動への好ましい影響を有し、故に水移動膜との包括的な水分交換を可能にする加湿器の流動板内のチャネルの設計は、従来技術、例えば、独国実用新案登録第２０  ２０１４  ００６  ４８０  Ｕ１号公報の明細書から既知である。
【０００７】
本発明は、従来技術の背景に対して、可能な限り最大限まで効率的に水移動膜を介する水分の交換を可能にする、加湿器の流動板を形成する、という問題に取り組む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この問題は、請求項１に記載の加湿器の流動板およびこの種の複数の流動板を有する請求項２４に記載の加湿器によって解決される。従属請求項では、特定の実施形態について説明する。
【０００９】
提案されていることは、故に、加湿器、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿する加湿器またはＨＶＡＣアプリケーション用の加湿器の流動板である。２つの互いに対向する平坦な側面では、流動板は、流体をガイドするための流動場、特に、流動板に沿ってガスをガイドするための流動場を有する。流動場は、例えば、チャネル構造体を有し得る。複数の貫通開口は、流動板、好ましくは、流動場の領域に形成され、より具体的には、流動板の平坦な表面に対して平行に配向された面上に複数の貫通開口部を垂直方向に投影すると、ゼロではない面積を有するように形成される。例えば、複数の貫通開口部は、流動板の平坦な表面と、９０度未満の角度、好ましくは、０度より大きくの９０度未満の角度を画定する流動板の一部に形成され得る。しかしながら、そのような一部が流動板の平坦な表面または流動板の平坦な表面に対して平行な面に広がることも可能である。
【００１０】
このように、第１の流動場から反対側の平坦な側面の第２の流動場への複数の貫通開口部を通過するガスは、流動場にガイドされたガスを流動板の平坦な表面に対して垂直に混合させ得る。特に、このことは、流動板に沿って流動場にガイドされたガス内の均一な水分分布を流動板の平坦な表面に対して垂直に形成することを促進して、水交換が膜に近い面間でのみ生じることを防ぐ。このように、隣接する膜を介する水移動速度は、最大化され得る。隣接する流動板の間に配置された膜の面積、従って加湿器システムを製造するコストは、故に著しく低減され得る。
【００１１】
従って、ここでは、流動板は、好ましくは、異なる媒体を分離するための流動場の領域において用いられない。むしろ、ここでは、複数の貫通開口部、すなわち、加湿され、その後さらなる過程で実際に加湿されるガス、またはさらなる過程でより低い含水量を成長させる湿潤ガスのため、同一媒体が流動板の両側面で通常流動する。これは、単極構造とも称され得、ここでは、ガスシステムは水移動膜を介して分離されるにすぎない。
【００１２】
平坦な表面は、例えば、流動板の縁部により、または一直線上にない流動板の縁部上の少なくとも３点により、画定され得る。流動板の平坦な表面が、間隔積分（ｓｐａｃｉｎｇ  ｉｎｔｅｇｒａｌ）が最小値をとる面により画定されることも考えられ、所与の面に対する間隔積分は、流動板と流動板の表面にわたって統合されたこの面との間の距離と同一である。複数の積み重ねられた流動板、例えば、加湿器内の複数の積み重ねられた流動板の場合、流動板の平坦な表面は、積層方向に対して垂直に通常配向される。
【００１３】
流動板は、金属から形成され得、好ましくはステンレス鋼から形成され得る。例えば、流動板は、平坦な表面に対して垂直に決定される、最大で１５０μｍ、好ましくは最大で１００μｍ、特に好ましくは最大で８０μｍの厚さを有する金属シートとして形成され得る。金属は、有利には低い熱膨張係数を有し、それによって、加湿器の動作中に温度が変動した場合に生じる機械的な圧力は、最小化され得る。これは、特に、加湿器の水移動膜の耐用寿命を改良し得る。流動板が１つの層で形成される場合も有利である。これは、加湿器の重量および加湿器を製造するために必要とされる材料コストを減らす。マイクロシーリングまたは腐食に対する保護のため、流動板は、さらに、例えば、親水性のコーティングまたは疎水性のコーティングにより、完全にまたは少なくとも部分的にコーティングされ得る。
【００１４】
流動板は、ガイド構造を有してもよく、ガイド構造は、ガイド構造が流動場の領域で流動板の平坦な側面に沿って流動するガスを複数の貫通開口部を通って流動場または流動板の反対側の平坦な側面の流動場にガイドするように、配置および設計される。流動板の平坦な表面に対して垂直なガスの混合は、故に、さらに改良され得る。
【００１５】
流動板およびガイド構造は、特に、一体的に形成され得、すなわち、一体部品から形成され得る。これは、板の製造を著しく単純化し得、製造コストを減らし得る。例えば、ガイド構造は、例えば、プレス加工または深絞りにより、流動板に金型成形され得る。
【００１６】
ガイド構造は、ガイド構造が複数の貫通開口部に到達するように、配置および設計され得る。ガイド構造は、故に、流動板の表面に沿って複数の貫通開口部を通って板の反対側の表面に流動するガスを特に効率的にガイドし得る。しかしながら、ガイド構造またはガイド構造のうちの少なくとも幾つかが複数の貫通開口部から遠ざけられる実施形態も考えられる。例えば、この場合のガイド構造は、ガイド構造が少なくとも部分的にガスの流動を遮断するように配置および設計され得る。
【００１７】
複数の貫通開口部または複数の貫通開口部のうちの少なくとも幾つかは、流動板にプレス加工され得る。複数の貫通開口部または複数の貫通開口部のうちの少なくとも幾つかが、流動板の切開により、特に、非材料除去切開、例えば、切断されたときまたはその後のいずれで開かれる直線切開により、形成されることも考えられる。例えば、円蓋状または半殻状である、舌状のガイド構造、リブ状のガイド構造は、少なくとも複数の区域において、この種の切開によりおよび切開に隣接する領域を変形させることにより流動板に形成され得る。複数の貫通開口部を形成すべく、ガイド構造は、少なくとも幾つかの領域で、流動板の平坦な表面から外側に曲げられ得、または流動板から突出し得る。ガイド構造またはガイド構造のうちの少なくとも幾つかは、リブとして形成されてもよい。そして、複数の貫通開口部は、例えば、リブの開口した側面により提供され得る。
【００１８】
特に、ガイド構造は、いずれの場合にも少なくとも複数の区域において、流動板の平坦な表面と、少なくとも４５度の角度、好ましくは、少なくとも７５度の角度、特に好ましくは、少なくとも８０度を画定し得る。流動板の平坦な表面に対して垂直に決定されるガイド構造の高さＨに対して、以下が適用され得る。０．５・Ｄ≦Ｈ≦１０・Ｄ、好ましくは２・Ｄ≦Ｈ≦５．Ｄ。Ｄは、流動板の厚さ、例えば、そのシート厚さである。
【００１９】
流動板、特に、流動場の領域に隣接する水交換膜または複合膜を支持すべく、流動板から離れた端部のガイド構造は、少なくとも複数の区域において、流動板の平坦な表面に対して平行に配向され得、および／または流動板に向かって曲げられ得る。例えば、ガイド構造による膜または複合膜の損傷も、故に、回避され得る。
【００２０】
流動板は、流動板の平坦な両側面にガイド構造を有し得る。流動板は、故に、第１のガイド構造および第２のガイド構造を有し得る。第１のガイド構造は、第１の平坦な側面の流動板から突出し、第２のガイド構造は、第１の平坦な側面の反対側の第２の平坦な側面の流動板から突出する。このとき、第１のガイド構造は、第１の平坦な側面から複数の貫通開口部を通って第２の平坦な側面にガスをガイドし得、第２のガイド構造は、第２の平坦な側面から複数の貫通開口部を通って第１の平坦な側面にガスをガイドし得る。ガスの混合は、故に、さらに促進され得る。流動の挙動およびガスの混合は、結果として通常改良される。
【００２１】
複数の貫通開口部および／またはガイド構造は周期的に互いから離れて配置され得る。例えば、複数の貫通開口部および／またはガイド構造は、第１の方向および第２の方向に沿って、流動板の平坦な表面に対して平行に、周期的に互いから離れて配置され得る。このとき、第１の方向に沿って決定される、隣接する貫通開口部および／または隣接するガイド構造の間の第１の距離は、第２の方向に沿って決定される、隣接する貫通開口部および／または隣接するガイド構造の間の第２の距離と異なり得る。第１の方向および第２の方向は、互いに対して垂直であり得るが、９０度未満の角度をも画定し得る。流動板の第１の平坦な側面から突出する第１のガイド構造および流動板の第２の平坦な側面から突出する第２のガイド構造は、第１の方向および／または第２の方向に沿って交互に配置され得る。
【００２２】
プレート表面に沿ってガイドされるガスの混合をさらに改良すべく、ガイド構造は、流動板の平坦な表面に対して平行に決定されるガイド構造の断面が、流動板の平坦な表面に対して垂直に可変であるように、形成され得る。例えば、ガイド構造を通過して流動するガスは、流動板の平坦な表面に対して少なくとも部分的に横切るように偏向され得る。
【００２３】
加湿されるガスおよび加湿されたガスをガイドすべく、または流動板を通る除湿されるガスおよび除湿されたガスをガイドすべく、流動板は、流動場に流体的に接続される排出口も有し得る。排出口は、流動板の縁部領域、特に、隅領域に通常配置される。複数の流動板が加湿器内で積層される場合、排出口は、積層を通って積層方向に延伸するラインを形成する。これらラインを介して、加湿されるガスまたは除湿されるガスを加湿セルに供給し得る。除湿ガスまたは加湿されたガスは、これらラインを介して加湿セルから取り出されもされ得る。排出口は、故に、加湿器の外側面のガスポートに、例えば、そのエンドプレートのうちの少なくとも１つに、通常流体的に接続される。個々の排出口の断面は、通常、個々の複数の貫通開口部の断面より数倍大きく、例えば、少なくとも１０倍または少なくとも２０倍大きい。
【００２４】
流動場および／または排出口をシールすべく、流動板は、例えば、流動板に金型成形されたビードの形態である、シールアセンブリも有し得る。特に、シールアセンブリは、流動場の周りにおよび／または排出口の周りに配置され得、これらを画定し得る。排出口と流動場との間の流体接続を生成すべく、シールアセンブリまたはビードは、開口を有し得る。ガスは、これらの開口を介して、シールアセンブリを通って、排出口から流動場にまたは流動場から排出口にガイドされ得る。代替的に、エラストマー要素の形態でシールを適用または取り付けることも可能である。
【００２５】
加湿器は、特に、電気化学システム用のプロセスガスを加湿する加湿器またはＨＶＡＣアプリケーション用の加湿器も提案される。加湿器は、記載されている種類の複数の積み重ねられた流動板を有する。この種の加湿器は、優れたコンパクト性および低い製造コストと共に、非常に高レベルの効率性により特徴づけられる。
【００２６】
水交換膜または複合膜は、積層の隣接する流動板の間に通常配置される。冒頭で記載されるように、複合膜は、水交換膜に加えて、支持体として少なくとも１つのガス拡散層を有し得、好ましくは、水交換膜の両側に１つずつ配置される２つのガス拡散層を有し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の例示的な実施形態は図面で示され、以下の詳細な説明を参照してより詳細に説明される。
【図１】複数の積層された加湿セルを有する加湿器を示す。
【図２】図１に記載の加湿器を有する電気化学システムを示す。
【図３】従来技術から既知の加湿器の流動板および流動板の間に配置された複合膜を示す。
【図４】本発明による加湿器の流動板の実施形態を示す。
【図５】本発明による加湿器の流動板の実施形態をさらに示す。
【図６ａ】図４に記載の流動板の断面図を示す。
【図６ｂ】図５に記載の流動板の断面図を示す。
【図６ｃ】図５に記載の流動板の断面図を示す。
【図７】本発明による加湿器の流動板のさらなる実施形態の詳細を示す。
【図８】本発明による加湿器の流動板のさらなる実施形態を示す。
【図９】本発明による加湿器の設計の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、加湿セル３を有するブロック型の加湿器１を斜視図で示し、加湿セル３は積層方向２に積層され、加湿セル３のそれぞれは少なくとも１つの流動板および水交換膜を含む。 加湿セルは、排出口により互いに接続され、排出口は、積層方向２に整列し、外側にガイドするガスポート４、５、６、７に開口している。ガスポート４、５、６、７は、加湿器１のエンドプレート８、９のうちの１つを貫通する。ここで、ガス入口に参照符号４および５が与えられ、ガス出口に参照符号６および７が与えられる。対応するガスの流動方向は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにより示される。加湿器１において積層された個々の加湿セル３のそれぞれは、同一の外形寸法を有し、その結果、平坦な側面を有する立方体が積層により形成される。
【００２９】
図２は、コンプレッサ１１、加湿器１および燃料電池スタック１２を有する電気化学システム１０を概略的に示し、燃料電池スタック１２は、例えば、複数の水素／酸素燃料電池を有する。ここでおよび以下では、繰り返し登場する特徴は、同一の参照符号により示される。例えば、水素分子、酸素分子または空気である、加湿される乾燥したプロセスガスは、コンプレッサ１１により加湿器１の第１の入口５を介して加湿器１に供給される。加湿器１で加湿されるプロセスガスは、次に、加湿器１の第１の出口６を介して燃料電池スタック１２に供給される。従って、異なるプロセスガスの化学エネルギーは、複数の膜電極ユニットを用いて電気エネルギーに変換される。燃料電池スタック１２におけるプロセスガスの反応中に形成された、水を含む排出空気は、第２の入口４を介して加湿器１に供給され、そこで乾燥したプロセスガスを加湿するのに用いられ、乾燥したプロセスガスは、第１の入口５を介し水交換膜を通って加湿器１に供給される。除湿されたガスは、例えば、加湿器１の第２の出口７を介して周囲環境に供給される。
【００３０】
図２の大文字は、図１でも示されているガスの流動方向に対応し、ガスポートと共に対応する本文で説明される。
【００３１】
図３は、従来技術から既知の加湿セル３を斜視図で示し、図３に記載されているものの場合、加湿セル３は、２つの流動板１３、１４、その間に配置された水交換膜１５、および両側で水交換膜１５を支持する不織布の形態の２つの支持体１６、１７を備える。ここでは、水交換膜１５および支持体１６、１７の縁部領域は、図で示されていない。
【００３２】
流動板１３、１４のそれぞれは、少なくとも１つの面にチャネルを有し、チャネルは、リブ１４ａ、１４ｂにより互いから分離されている。隣接チャネル同士を分離するリブ１４ａ、１４ｂは、支持体１６、１７を接触し得、その結果、加湿セル３内の流動板に沿ったガスの流動のために、全ての側面で閉じられたチャネルが形成される。ガスは、排出口１８、１９を介して個々の流動板に供給され、対応する流動板を通過した後に、別の排出口２０を介して再び取り出され得る。この目的のために、流動板１３、１４のそれぞれは、例で示されるように４つの排出口を有し、いずれの場合にも、４つの排出口のうちの２つは、互いに対向して配置され、流動板の１つの平坦な側面に関連付けられる。他の２つの排出口は、いずれの場合にも、反対側の平坦な側面に関連付けられ、図３では見えないが、チャネルは反対側の平坦な側面で延びている。加湿器が組み立てられる場合、流動板１３、１４は、排出口１８、１９が互いに位置合わせされ、ガスを流動板に供給するためのラインを形成するように、積層される。反対側で、流動板１３、１４からガスを取り出すための別のラインが、位置合わせされた排出口により形成される。
【００３３】
図３に示される加湿セル３において、ガスは、実質的に層流の態様で、流動板１３、１４のチャネルにおいて流動し、流動板１３、１４は、水交換膜１５の両側に１つずつ配置され、膜１５にそれぞれ隣接する。これは、一定の水分勾配を積層方向２、すなわち、流動板１３、１４の平坦な表面に対して垂直な方向に沿ってチャネル内に設定させ得、より具体的には、加湿セル３の湿潤側の湿度が水交換膜１５に向かって減少し、加湿セル３の乾燥側の湿度が水交換膜１５に向かって増加するように、設定させ得る。水交換膜１５を介した水移動速度は、膜１５に直接存在する水分の差におおよそ比例して増減するので、膜１５に隣接するチャネルにおける一定の水分勾配を有する上記の設計は、水移動速度の望ましくない低減の原因となる。従って、図３に示される従来技術からの解決策は、最適化されていない実施形態を構成し、これは、本発明により改良されるべきである。
【００３４】
図４は、本発明による排出口２３、２４、２５、２６を有する単層の流動板２２の第１の平坦な面２１の平面図を示す。流動板２２は、例えば、１００μｍ未満のシート厚さを有するステンレス鋼シートとして形成される。流動板２２は、図１の加湿器１の板の層の一部である。排出口２３、２４、２５、２６は、シーリングビード３０、３１、３２、３３により外側に対して、かつ、加湿器１内部に向かってそれぞれシーリングされる。流動場２８はまた、シーリングビード５４により囲まれ、外側に対して、かつ、排出口２３、２４、２５、２６に向かって流動場２８をシールするビードが示唆されているにすぎない。シーリングビード３０、３１、３２、３３は、シーリングビード５４に移行する。排出口２５は、コンプレッサ１１からの乾燥ガスを加湿器１に導入する入口５に流体的に接続される。排出口２３は、加湿されたガスを加湿器１から排出して燃料電池スタック１２に供給する、加湿器１の出口６（図１および２参照）に流体的に接続される。排出口２６は、燃料電池スタック１２からの水蒸気を加湿器１に導入する入口４に流体的に接続される。排出口２４は、加湿器１からの除湿された水蒸気を周囲環境に放出する出口７に流体的に接続される。
【００３５】
流動板２２の裏側の第２の平坦な面２７は、図４において隠れている。第１の流動場２８は、第１の平坦な面２１で排出口２５および２３の間に配置される。排出口２３、２５は、ビード部３０、３２における開口３４、３５を介して、第１の流動場２８に流体的に接続される。それに応じて、同じく図４において隠れている第２の流動場２９は、第２の平坦な面２７で同一の排出口２３および２５の間に配置される。第２の流動場２９もまた、排出口２３、２５に流体的に接続される。 加湿器１の動作中、加湿されて排出口２５を介して流動板２２に供給される乾燥ガスは、流動板２２の両側の流動場２８、２９を通って排出口２３に向かって流動する。流動場２８、２９の領域において、排出口２３に流入する乾燥ガスは、次に、流動板２２の両側において第１の平坦な面２１および第２の平坦な面２７に隣接している水移動膜（不図示）を介して水分を受け取る。ガス拡散層がさらに、水移動膜と流動板の平坦な側面２１、２７との間に任意に配置され得る。そのようにして流動場２８、２９の領域で加湿されたガスは、次に、排出口２３を介して流動板２２から再び排出される。排出口２４、２６は、湿潤ガスをガイドするのにまたは除湿されたガスを排出するのに用いられ、かつ、流動板２２の流動場２８、２９を囲むシーリングビード３１、３２はいかなる開口も有していないので、排出口２４、２６は流動板２２の流動場２８、２９に流体的に接続されない。
【００３６】
湿潤ガスをガイドするよう設計された加湿器１の流動板は、流動板２２に従って形成され得る。 しかしながら、図４で示された流動板２２とは対照的に、このとき、乾燥ガスをガイドする排出口は流動場に流体的に接続されない一方で、湿潤ガスをガイドする排出口は流動板の平坦な側面の流動場に流体的に接続される。加湿器１において、乾燥ガスをガイドする流動板２２と同種の流動板と、湿潤ガスをガイドする流動板とが、交互に配置される。
【００３７】
図４において、流動板２２の２つの平坦な面２１、２７の流動場２８、２９は、複数の貫通開口４０により互いに流体的に接続される。平坦な面２１、２７に沿って流動するガスは、排出口２５から排出口２３への経路にわたって、第１の流動場２８から第２の流動場２９へおよび複数の貫通開口部４０を通って第２の流動場２９から第１の流動場２８へ連続的に流動し得る。分かりやすくするために、複数の貫通開口部４０のうちの幾つかにだけ、図４において参照符号が設けられている。複数の貫通開口部４０が、図４において描画平面に対して平行に配向される流動板２２の平坦な表面上に複数の貫通開口部４０を垂直方向に投影すると、ゼロではない面積を有するように形成される。例えば、流動板２２の平坦な表面上の複数の貫通開口部４０の突起のそれぞれは、少なくとも０．２ｍｍ２の領域または少なくとも０．５ｍｍ２の面積を有する。 しかしながら、それらはまた、例えば、１ｍｍ２から３．５ｍｍ２の間で、はるかに大きくてもよい。複数の貫通開口部４０のこの設計の結果として、流動場２８、２９で流動するガスは、複数の貫通開口部４０を通過するときに、流動板２２の平坦な表面に対して垂直に、すなわち、積層方向２（図１および３参照）に沿った、速度成分を有し、その結果、動作中に、ガスおよびガスにより取り込まれて流動場２８、２９の領域で吸収される水分は、流動板２２の平坦な表面に対して垂直に混ざる。前述のとおり、この混合は、水移動速度および加湿器１の効率性を向上させる。
【００３８】
複数の貫通開口部４０は、例えば、流動板２２にまたは流動板２２からプレス加工される。非材料除去、すなわち、直線状に流動板２２を切断して、続いて、切開の領域に流動板２２を形成することにより、複数の貫通開口部４０が形成されることも考えられる。流動場２８、２９で流動するガスを、複数の貫通開口部４０を通って反対側の平坦な面２１、２７に意図的に傾斜してガイドすべく、流動板２２は第１の平坦な面２１において、複数の第１のガイド構造４１ａを第１の流動場２８の領域に有し、第２の平坦な面２７において、複数の第２のガイド構造４１ｂを第２の流動場２９の領域に有する。
【００３９】
ガイド構造４１ａ、４１ｂは、いずれの場合にも、流動板２２の貫通開口に隣接する領域における変形により形成される。図４において、ガイド構造４１ａ、４１ｂのそれぞれは、突起を形成し、この突起は、少なくとも複数の区域において、円蓋状、球状、または半殻状であり、流動板２２の平坦な面２１、２７から流動板２２の両側に突出する。第１のガイド構造４１ａは、第１の平坦な面２１から手前に突出し、第２のガイド構造４１ｂは、第２の平坦な面２７から奥に向かって突出する。例えば、ガイド構造４１ａ、４１ｂのそれぞれは、少なくともシート厚さの１．５倍だけ平坦な面２１、２７から突出する。
【００４０】
円蓋状のガイド構造４１ａ、４１ｂのうち複数の貫通開口部４０に隣接している部分を除いて、ガイド構造４１ａ、４１ｂは、流動板２２の平坦な表面に対して平行に、おおよそ円形断面を有し、円形断面は、平坦な表面からの距離が増すにつれて流動板２２の平坦な表面に対して垂直に変化し、特にテーパ状に変化する。従って、流動板２２の平坦な表面に対して垂直な速度成分を、平坦な面２１、２７に沿って流動するガスにさらに与え、この方向のガスの混合をさらに促進する。ここで、複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂは、排出口２３、２５のような流動板２２の他の構造に対して必ずしも一定の縮尺で示されていない。実際には、それらはより小さくなる傾向にある。図における寸法は、より容易な理解のために選択されている。複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂは、互いに対して正確な縮尺で示される。
【００４１】
複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂは、２つの方向４２、４３に沿って等距離で格子状に配置され、２つの方向４２、４３は、互いに対して垂直であり、それぞれが矩形の流動板２２の真っすぐな外縁に対して平行に配向される。ここで、隣接する貫通開口部４０間の距離およびガイド構造４１ａ、４１ｂ間の距離は、両方向４２、４３において同一である。代替的な実施形態において、両方向４２、４３における距離は、異なっていてもよい。加えて、複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂの格子状の配置は、いずれの場合にも、上述の方向４２、４３と約４５度の角度を画定するさらなる対称の方向４４、４５を有する。また、方向４４、４５に沿って、複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂは、等距離に配置される。特に、第１のガイド構造４１ａおよび第２のガイド構造４１ｂは、流動板の外縁に対して斜めに延びる方向４４、４５に沿って交互に配置される。この配置は、流動場２８、２９の間で切り替わるガスは、第１の流動場２８から第２の流動場２９に逆方向とおおよそ同程度に流動することを意味し得る。従って、流動の挙動およびガスの混合に悪影響を与え得る局所的な圧力差の形成は、防止され得る。
【００４２】
方向４２に沿った、またはガス入口としての役割を果たす排出口２５からガス出口としての役割を果たす排出口２３へのガスの流動方向におおよそ沿った複数の貫通開口部４０は、第１のガイド構造４１ａおよび第２のガイド構造４１ｂの反対側の端部に配置されることがさらに理解され得る。従って、方向４２に沿った複数の貫通開口部４０は、ガス入口としての役割を果たす排出口２５に面する第１のガイド構造４１ａの端部を形成する。一方、方向４２に沿った複数の貫通開口部４０は、ガス出口としての役割を果たす排出口２３に面する第２のガイド構造４１ｂの端部を形成する。代替的な実施形態において、ガイド構造４１ａ、４１ｂに対する複数の貫通開口部４０の他の配置も、考えられる。例えば、複数の貫通開口部４０は、第１のガイド構造４１ａの端部およびガス出口としての役割を果たす排出口２３に面する第２のガイド構造４１ｂの端部に同様に隣接し得る（図７参照）。
【００４３】
図４の流動板２２の第１の平坦な面２１上の第１のガイド構造４１ａの幾何学的配置を説明すべく、切断線Ｂ−Ｂに沿った流動板２２を通る断面図は、図６ａに示される。示されていることは、第１の平坦な面２１、第２の平坦な面２７、方向４２に沿って等距離に配置される複数の貫通開口部４０、および第１のガイド構造４１ａであって、第１のガイド構造４１ａは、方向４２に沿って等距離で配置され、かつ、複数の貫通開口部４０の所まで直接到達する。複数の貫通開口部４０は、明確に理解され得るように、第１の平坦な面２１の第１の流動場２８と第２の平坦な面２７の第２の流動場２９との間の流体接続を生成する。第１のガイド構造４１ａは、第１の平坦な面２１から突出し、より具体的には、シート厚さの約３倍だけ突出する。平坦な面２１に対する第１のガイド構造４１ａの凸性の結果として、ガスが第１のガイド構造４１ａに隣接する複数の貫通開口部４０を通過するときに、流動板２２の平坦な表面に対して垂直に配向される速度成分を、第１の平坦な面２１の第１の流動場２８から第２の平坦な面２９の第２の流動場２９に流動するガスに与える。複数の貫通開口部４０を通るガスの流動および第１のガイド構造４１ａのガイドの効果は、一例として、図６ａにおける流動の矢印４６により示される。
【００４４】
図５は、本発明による流動板４７の別の実施形態を示す。図５に示される切断線Ｃ−Ｃおよび切断線Ｄ−Ｄに沿った流動板４７の断面図は、図６ｂおよび図６ｃに示され、いずれの場合にも、断面図の面は流動板４７の平坦な表面に対して垂直に配向される。
【００４５】
図５に記載の流動板４７は、平坦な面２１、２７上の流動場２８、２９の部分的に異なる実施形態により、図４に記載の流動板２２と異なる。流動板２２と共に記載されているおおよそ円形複数の貫通開口部４０および円蓋状または半殻状のガイド構造４１ａ、４１ｂに加えて、流動板４７は、端部で丸みを帯びた追加の細長い複数の貫通開口部４８および複数の貫通開口部４８に隣接するガイド構造４９を有する。流動場２８、２９は、複数の貫通開口部４８を介して流動板４７の互いに対向する平坦な面２１、２７に互いに流体的に接続される。複数の貫通開口部４０と同様に、流動板４７の平坦な表面上に複数の貫通開口部４８を投影すると、ゼロではない面積を有する。図５において、流動板４７の平坦な表面は、描画平面に対して平行に配向される。複数の貫通開口部４８の長手方向の範囲に応じて、この面積は、例えば、少なくとも１ｍｍ２、少なくとも２ｍｍ２、または少なくとも３ｍｍ２であり得る。非常に広い複数の貫通開口部４８の場合、この面積は、確かに１０ｍｍ２よりも大きく、または２０ｍｍ２よりも大きくさえあり得る。典型的な幅は、０．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあるが、０．５ｍｍまたは例えば、３．５ｍｍのような、より小さな幅またはより大きな幅も可能である。
【００４６】
複数の貫通開口部４０と同様に、複数の貫通開口部４８は、流動板４７が形成される金属シートの中にまたは外にプレス加工され得る。代替的に、複数の貫通開口部４８は、切開、特に非材料除去切開により流動板４７に形成され得る。例えば、流動板４７と一体的に形成され、流動板４７に金型成形されるガイド構造４９は、長手側に沿って開口した側面を持つリブを形成する。図５に示された実施形態において、ガイド構造４９は、少なくともシート厚さの３倍だけ第１の平坦な面２１から突出する。複数の貫通開口部４８およびガイド構造４９を形成するリブは、例えば、矩形の流動板４７の短辺の長さの少なくとも１５パーセント、少なくとも３０パーセント、または少なくとも７０パーセントである長さにわたって長手方向に伸びる。次に、これらのリブは、少なくとも複数の区域において、平坦な面２１に関して凸状の湾曲を有し得、その結果、ガイド構造４９は、複数の貫通開口部４８を通るガス流動として、流動板４７の平坦な表面に対して垂直な速度成分をガスに与える。
【００４７】
複数の貫通開口部４８およびガイド構造４９は、加湿器１の動作中、平坦な面２１、２７に沿ったガス入口としての役割を果たす排出口２５から流動場２８、２９を通って、ガス出口の役割を果たす排出口２３に向かう方向である、ガス流動の流動方向に対しておおよそ横切って配向される。特に、細長い複数の貫通開口部４８および細長いガイド構造４９は、排出口２５と排出口２３との間の最短の直線接続線に対しておおよそ横切って配向される。例えば、細長い複数の貫通開口部４８および細長いガイド構造４９は、排出口２５と排出口２３との間の最短の直線接続線と、ここでは、６０度から７０度の間である、角度を画定する。原則として、角度は、自由に選択され得、好ましくは６０度より大きい。特に、角度の大きさは、貫通開口４８またはガイド構造４９が１つの外縁に対して平行に配置されるか、または流動板の両外縁に傾斜して配置されるかどうか、および流動板の外側の幾何学的配置に依存する。複数の貫通開口部４８およびガイド構造４９の設計に起因して、排出口２５から排出口２３へのガス流動は、第１の平坦な面２１の第１の流動場２８から第２の平坦な面の第２の流動場２９へ非常に効率的にガイドされ得、逆も同様である。さらに、流動板は、それぞれが、円蓋状または球状の態様で、例えば、少なくともシート厚さの３倍だけ、流動板の平坦な面２７から突出する閉じたガイド構造５０を有する。流動板４７の平坦な表面に対して平行に、ガイド構造５０は、丸い断面を有し、丸い断面は平坦な表面からの距離が長くなるにつれて減少する。
【００４８】
図７は、流動板５１の詳細を示し、流動板５１は図４から僅かに修正された流動板２２の変形例である。複数の貫通開口部４０のそれぞれがガス出口としての役割を果たす排出口２３（不図示）に面するガイド構造４１ａ、４１ｂの端部に隣接するという点で、図７からの流動板５１の流動場２８、２９は、図４からの流動板２２の流動場２８、２９と異なる。図７は、さらに、切断線Ａ−Ａに沿った流動板５１の断面図を示し、断面図の面は、前述のとおり、描画平面に対して平行に伸びる、流動板５１の平坦な表面に対して垂直に再び配向される。複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂは、方向４２、４５に沿って周期的に配置されることも理解され得る。 ここで、直接隣接する貫通開口部４０と直接隣接するガイド構造４１ａ、４１ｂとの間の距離は、方向４２に沿った方向が方向４５に沿った方向より大きい。
【００４９】
図８は、図４からの流動板２２のさらなる変形例である流動板５２を示す。平坦な面２１、２７の流動場２８、２９は、複数の貫通開口部４０およびガイド構造４１ａ、４１ｂに加えて、チャネル構造体５３を有する、という点で、図８からの流動板５２は、図４に記載の流動板２２と異なる。チャネル構造体５３は、例えば、エンボス加工または深絞りにより、流動板５２が形成される金属シートに金型成形される。チャネル構造体５３は、ガス入口としての役割を果たす排出口２５から、流動場２８、２９を通って、ガス出口としての役割を果たす排出口２３にガスをガイドするよう設計される。さらに、流動板５２における幾つかのガイド構造４１ａ'、４１ｂ'は、他のガイド構造４１ａ、４１ｂに対して９０度回転して配置され、同様に、これらのガイド構造４１ａ'、４１ｂ'の領域に配置される複数の貫通開口部４０'は、他の複数の貫通開口部４０に対して９０度回転される。結果として、ガス流動は、流動場２８、２９の外側の領域に、または流動場２８、２９の外側の領域から意図的にガイドされ得る。最適な流動およびガス流動の混合を実現すべく、互いに対して多くの異なる角度で様々な複数の貫通開口部およびガイド構造を配置することも可能である。
【００５０】
一方、図９は、加湿器モジュールの単極構造または２つの異なる流動板１３、１４を有する加湿器の詳細を示す。流動板１３は、湿潤ガスの２つの流動空間（「Ｗ」）の間に配置され、流動板１４は相対的に低湿度のガスの２つの流動空間（「Ｄ」）の間に配置される。流動板１３、１４のそれぞれは、通路を有し、その結果、２つの隣接する流動空間は、互いから完全に分離されない。２つの異なる流動板の代わりに、１つの流動板だけがまた、状況次第で用いられ得、１つの流動板が異なる方向で設置され、その結果、流動板１３および流動板１４は、依然として互いに異なる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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