DE102008034406A1 - Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtereinrichtung (1) zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse (2), in welchem wenigstens eine Membran angeordnet ist, und mit einem Umgehungskanal (5) zum Umgehen der wenigstens einen Membran, wobei der Umgehungskanal (5) einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, in welchem wenigstens eine Membran angeordnet ist, und mit einem Umgehungskanal zum Umgehen der wenigstens einen Membran.
  • Derartige Befeuchtereinrichtungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Die Druckschrift DE 102 32 757 A1 offenbart eine Befeuchtereinrichtung, welche zum Befeuchten eines zu befeuchtenden Gasstroms dient, welcher einem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Zur Befeuchtung wird dabei ein feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellensystem genutzt. In der Befeuchtereinrichtung ist eine Membran angeordnet, welche lediglich für Wasserdampf durchlässig ist. Diese bekannte Befeuchtereinrichtung sieht weiterhin einen Umgehungskanal vor, durch welchen der Gasstrom teilweise um die Membran geführt werden kann. Dadurch kann der Taupunkt in dem zu befeuchtenden Gasstrom frei eingestellt werden.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf die Ausgestaltung beziehungsweise auf den Aufbau der Befeuchtereinrichtung im Hinblick auf ein Anordnen derselben in einem im Kraftwagen zu Verfügung stehenden Bauraum sowie hinsichtlich einer Vergrößerung eines effektiven Volumens der Befeuchtereinrichtung. Unter dem effektiven Volumen wird vorliegend ein Volumen verstanden, welches für die eigentliche Funktion der Befeuchtereinrichtung, also für die Befeuchtung des Fluids, genutzt wird.
  • Eine aus dem Stand der Technik bekannte Befeuchtereinrichtung ist in 1 dargestellt. Die bekannte Befeuchtereinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches aus zwei Gehäuseteilen 2a, 2b besteht. Zwischen den Gehäuseteilen 2a, 2b ist eine Befeuchtungseinheit 3 angeordnet, welche wenigstens eine Membran aufweist, die bekanntlich lediglich für Wasserdampf durchlässig ist. Bei der bekannten Befeuchtereinrichtung 1 ist die Befeuchtungseinheit 3 durch zwei nebeneinander angeordnete Kartuschen 3a, 3b gebildet, welche jeweils wenigstens eine Membran aufweisen.
  • In 1 ist darüber hinaus ein für die Befeuchtereinrichtung 1 in dem Kraftwagen zur Verfügung stehender Bauraum 4 dargestellt. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass das Volumen der beiden Kartuschen 3a, 3b das effektive Volumen der Befeuchtereinrichtung 1 darstellt. Wie in 1 gezeigt ist, entstehen durch den Einsatz von einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Kartuschen 3a, 3b Zwischenräume in dem zur Verfügung stehenden Bauraum 4. Aufgrund der durch die Ausgestaltung der Befeuchtungseinheit 3 entstehenden Zwischenräume wird der zur Verfügung stehende Bauraum 4 nicht in optimaler Weise für die eigentliche Funktion der Befeuchtereinrichtung 1, also für die Befeuchtung des Fluids, ausgenutzt, so dass sich ein geringes effektives Volumen ergibt. Bei der in 1 dargestellten Befeuchtereinrichtung 1 beträgt das effektive Volumen 4,5 l.
  • Die bekannte Befeuchtereinrichtung 1 umfasst ferner einen Umgehungskanal 5 zum Umgehen der in der Befeuchtungseinheit 3 angeordneten Membran. Durch den Umgehungskanal 5 wird erreicht, dass der Feuchtigkeitsgrad des zu befeuchtenden Fluids sowie der Taupunkt desselben beliebig eingestellt werden können. Wie in 1 dargestellt ist, ist der einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Umgehungskanal 5 um das Gehäuse 2 der Befeuchtereinrichtung 1 geführt. Auch hier besteht ein Nachteil in einer suboptimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums 4, so dass kein großes effektives Kartuschenvolumen erzielt werden kann.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten eines Fluids bereitzustellen, bei welcher ein für die Befeuchtereinrichtung zur Verfügung stehender Bauraum für die Befeuchtung des Fluids besser ausgenutzt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Befeuchtereinrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung ist zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens ausgebildet. Die Befeuchtereinrichtung umfasst ein Gehäuse, in welchem wenigstens eine Membran angeordnet ist. Ferner umfasst die Befeuchtereinrichtung einen Umgehungskanal zum Umgehen der wenigstens einen Membran. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Umgehungskanal einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweist. Unter dem Begriff ”Querschnitt” wird hier insbesondere ein äußerer Querschnitt beziehungsweise eine Außenkontur eines Querschnittsprofils verstanden.
  • In vorteilhafter Weise wird durch die erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung eine bessere Ausnutzung eines für die Befeuchtereinrichtung im Kraftwagen zur Verfügung stehenden Bauraums erreicht, wobei das effektive Volumen der Befeuchtereinrichtung vergrößert werden kann.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass der Umgehungskanal einen eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Umgehungskanal in Form eines flachen, in das Gehäuse der Befeuchtereinrichtung integrierten Kanals ausgebildet ist. Ferner ist der Umgehungskanal bevorzugt angrenzend zu einer Innenwand des Gehäuses angeordnet. Ist das Gehäuse der Befeuchtereinrichtung quaderförmig ausgebildet, so stellt eine gesamte Oberfläche einer Innenwand des Gehäuses insbesondere eine Innenwand des Umgehungskanals dar. Insbesondere durch Einsatz eines flachen Umgehungskanals, welcher sich entlang einer Innenwand des Gehäuses erstreckt, wird der zur Verfügung stehende Bauraum besser ausgenutzt, so dass ein größeres Volumen für die wenigstens eine Membran vorgesehen sein kann.
  • Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Umgehungskanal um das Gehäuse und angrenzend dazu geführt ist.
  • In bevorzugter Weise ist ein Kontrollelement zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts des Umgehungskanals in dem Umgehungskanal angeordnet. Bevorzugt ist das Kontrollelement als Drosselklappe ausgebildet und vorzugsweise mittels eines Stellglieds antreibbar, welches an und/oder in dem Gehäuse angeordnet ist. Durch Einsatz eines Kontrollelements, welches zum Verändern des durchströmbaren Querschnitts des Umgehungskanals ausgebildet ist, kann ein Feuchtigkeitsgrad des zu befeuchtenden Fluids sowie ein Taupunkt desselben frei eingestellt werden. Durch Einsatz einer Drosselklappe wird ferner die Veränderung des durchströmbaren Querschnitts des Umgehungskanals auf technisch einfache Weise ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform kann ferner vorgesehen sein, dass das Kontrollelement in einem an dem Gehäuse angeordneten und einen Abschnitt des Umgehungskanals aufweisenden Anschlussteil bzw. Anschlussbereich angeordnet ist. Das Stellglied kann ein elektrisches, ein pneumatisches oder ein hydraulisches Stellglied sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse zwei Gehäuseteile umfasst, und zwischen den Gehäuseteilen eine einzige Kartusche angeordnet ist, in welche die wenigstens eine Membran integriert ist. Durch Einsatz einer einzigen Kartusche kann ein in dem Kraftwagen für die Befeuchtereinrichtung zur Verfügung stehender Bauraum im Hinblick auf ein Vergrößern des effektiven Volumens der Befeuchtereinrichtung besser – als dies im Stand der Technik der Fall ist – ausgenutzt werden. Bei dieser Ausführungsform hat sich ferner als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass die einzige Kartusche, in welcher die wenigstens eine Membran angeordnet ist, einen von einem Kreis abweichenden, bevorzugt einen eckigen, noch bevorzugter einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Insbesondere weist die einzige Kartusche einen an einen Querschnitt der zwei Gehäuseteile angepassten Querschnitt auf. Hierdurch wird erreicht, dass keine Zwischenräume, welche das effektive Volumen verringern, zwischen der Kartusche und den beiden Gehäuseteilen entstehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnungen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 in perspektivischer Darstellung eine Befeuchtereinrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 in perspektivischer Schnittdarstellung eine Befeuchtereinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Das nachstehend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • In den Figuren werden gleiche beziehungsweise funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Eine in 2 dargestellte Befeuchtereinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens ausgebildet. Die Befeuchtereinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches zumindest zwei Gehäuseteile 2a, 2b aufweist, zwischen welchen eine einzige Kartusche 3 angeordnet ist. In der Kartusche 3 ist eine Mehrzahl von Membranen (nicht dargestellt) angeordnet.
  • Die Befeuchtereinrichtung 1 dient zum Befeuchten von Luft, welche dem Brennstoffzellensystem als Oxidationsmittel von der Befeuchtereinrichtung 1 bereitgestellt wird. Die Befeuchtereinrichtung 1 umfasst einen Luftanschluss 6, über welchen die Luft als Oxidationsmittel von beispielsweise einem Gebläse des Kraftwagens der Befeuchtereinrichtung 1 zugeführt wird. Dabei ist der Luftanschluss 6 an einem Anschlussteil 7 angeordnet, welches an einem ersten Gehäuseteil 2a des Gehäuses 2 angeordnet ist. In dem Anschlussteil 7 ist eine Abzweigung des Luftanschlusses 6 vorgesehen. So weist das Anschlussteil 7 einen ersten Anschlusskanal 7a auf, über welchen die von dem Gebläse bereitgestellte frische Luft zu der wenigstens einen Membran in das Gehäuse hinein geführt wird, sowie einen zweiten Anschlusskanal 7b. Der erste Anschlusskanal 7a des Anschlussteils 7 ist im vorliegenden Beispiel mit einem in dem Gehäuse angeordneten Luftkanal 8 verbunden, über welchen die frische Luft nach dem Eintreten in das Gehäuse 2 hin zu der wenigstens einen Membran geführt wird. Der zweite Anschlusskanal 7b ist vorliegend mit einem in das Gehäuse 2 integrierten Umgehungskanal 5 zum Umgehen der wenigstens einen Membran verbunden. Somit kann die von dem Gebläse bereitgestellte frische Luft um die wenigstens eine Membran über den zweiten Anschlusskanal 7b und weiterhin über den Umgehungskanal 5 geführt werden.
  • Die Befeuchtereinrichtung 1 umfasst ferner einen Abgasanschluss 9, über welchen ein von dem Brennstoffzellensystem stammendes, ein Produktwasser aufweisendes Abgas der Befeuchtereinrichtung zugeführt wird. Dieses Abgas, und speziell das Produktwasser, welches in Form von Wasserdampf bereitgestellt ist, wird zum Befeuchten der durch den Luftkanal 8 in das Gehäuse 2 zugeführten Luft herangezogen, indem der Wasserdampf über die wenigstens eine Membran an die frische Luft abgegeben wird.
  • Die Befeuchtereinrichtung 1 weist ferner einen Brennstoffzellenanschluss 10 auf, welcher mit dem Brennstoffzellensystem gekoppelt ist, und über welchen die bereits befeuchtete Luft als Oxidationsmittel dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Diese befeuchtete, für das Brennstoffzellensystem bereitgestellte Luft stellt dabei eine Mischung aus der über den Luftkanal 8 in die Kartusche 3 zugeführten befeuchteten Luft sowie der über den Umgehungskanal 5 geführten trockenen Luft dar.
  • Durch Einsatz des Umgehungskanals 5 wird in vorteilhafter Weise eine Einstellbarkeit eines Feuchtigkeitsgrads der für das Brennstoffzellensystem bereitgestellten Luft ermöglicht. Hierzu umfasst die Befeuchtereinrichtung 1 ferner eine Drosselklappe, welche in den zweiten Anschlusskanal 7b des Anschlussteils 7 integriert ist. Die Drosselklappe ist im vorliegenden Beispiel von einem Stellglied ansteuerbar. Mittels der Drosselklappe kann vorliegend ein durchströmbarer Querschnitt des Umgehungskanals 5, speziell des zweiten Anschlusskanals 7b des Anschlussteils 7, verändert werden.
  • Um einen für die Befeuchtereinrichtung 1 vorgesehenen Bauraum des Kraftwagens optimal auszunutzen, weist der Umgehungskanal 5 im vorliegenden Beispiel einen rechteckigen Querschnitt auf. Der Umgehungskanal 5 ist ferner in Form eines flachen Kanals ausgebildet, welcher angrenzend zu einer Innenwand des Gehäuses 2, welche eine Innenwand der einzigen Kartusche 3 darstellt, angeordnet ist. Vorliegend stellt eine gesamte Oberfläche der Innenwand ebenfalls eine Innenwand des Umgehungskanals 5 dar. Durch den flachen Aufbau des Umgehungskanals 5, welcher in dem Gehäuse 2 seitlich angeordnet ist, wird ein im Vergleich zu einem einen runden Querschnitt aufweisenden Umgehungskanal größerer Bauraum für die wenigstens eine Membran, also für die eigentliche Funktion der Befeuchtereinrichtung 1, bereitgestellt.
  • Auch der Luftkanal 8 weist im vorliegenden Beispiel einen rechteckigen Querschnitt auf und ist in Form eines flachen Kanals ausgebildet. Der Luftkanal 8 ist vorliegend an einer dem Umgehungskanal 5 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 und angrenzend zu einer Innenwand des Gehäuses 2 angeordnet. Dabei stellt eine gesamte Oberfläche der Innenwand des Gehäuses 2 ebenfalls eine Innenwand des Luftkanals 8 dar.
  • Durch Verwendung von flachen Kanälen 5, 8, welche an den Seiten des Gehäuses 2 angeordnet und in das Gehäuse 2 integriert sind, sowie durch die Integration der Drosselklappe in das Anschlussteil 7 lässt sich der vorgegebene Bauraum des Kraftwagens erheblich besser ausnutzen.
    • 1
    Befeuchtereinrichtung
    2
    Gehäuse
    2a, 2b
    Gehäuseteile
    3
    Befeuchtungseinheit/Kartusche
    4
    Bauraum
    5
    Umgehungskanal
    6
    Luftanschluss
    7
    Anschlussteil
    7a, 7b
    Anschlusskanäle
    8
    Luftkanal
    9
    Abgasanschluss
    10
    Brennstoffzellenanschluss
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10232757 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Befeuchtereinrichtung (1) zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse (2), in welchem wenigstens eine Membran angeordnet ist, und mit einem Umgehungskanal (5) zum Umgehen der wenigstens einen Membran, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (5) einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweist.
  2. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (5) einen eckigen, insbesondere rechteckigen Querschnitt aufweist.
  3. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (5) in das Gehäuse (2) integriert ist.
  4. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgehungskanal (5) um das Gehäuse (2) und angrenzend dazu geführt ist.
  5. Befeuchtereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrollelement zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts des Umgehungskanals (5) in dem Umgehungskanal (5) angeordnet ist.
  6. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollelement als Drosselklappe ausgebildet ist.
  7. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollelement mittels eines Stellgliedes antreibbar ist, welches an und/oder in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
  8. Befeuchtereinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zwei Gehäuseteile (2a, 2b) umfasst, und zwischen den Gehäuseteilen (2a, 2b) eine einzige Kartusche (3) angeordnet ist, in welche die wenigstens eine Membran integriert ist.
  9. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Kartusche (3) einen von einem Kreis abweichenden, bevorzugt eckigen, noch bevorzugter rechteckigen, Querschnitt aufweist.
  10. Befeuchtereinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Kartusche (3) einen an einen Querschnitt der zwei Gehäuseteile (2a, 2b) angepassten Querschnitt aufweist.
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