DE102008039911A1

DE102008039911A1 - Schlauch als Befeuchtermodul und Brennstoffzellensystem mit derartigem Schlauch

Info

Publication number: DE102008039911A1
Application number: DE102008039911A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing.(FH) Heumos; Patrick Dipl.-Ing.(FH) Mangold; Wolfgang Dipl.-Ing. Weger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-04

Abstract

In Brennstoffzellensystem wird ein Schlauch verwendet, in dem eine Trennwand einen ersten Innenraum (18) von einem zweiten Innenraum (20) trennt. Über den ersten Innenraum (18) wird von einem Verdichter (30) erwärmte Luft einem Brennstoffzellenstapel (22) zugeführt, und Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel (22) wird über den zweiten Innenraum (20) abgeführt. Dadurch wird die Zuluft abgekühlt. Neben der Funktion als Ladeluftkühler erhält der Schlauch (10) erfindungsgemäß die Funktion eines Befeuchters, in dem die Trennwand (14) wasserdurchlässig ausgebildet wird. Bevorzugt besteht die Trennwand (14) aus Polyphenylsulfon.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schlauch nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Neben der bei einem Schlauch üblicherweise vorhandenen Außenwand ist im Innern des Schlauchs noch eine Trennwand angeordnet. Diese umgrenzt einen ersten Innenraum und begrenzt gleichzeitig einen zweiten Innenraum zur Außenwand hin. Die Erfindung betrifft auch ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein derartiger Schlauch eingesetzt ist.
Ein Schlauch der eingangs beschriebenen Art ist in der JP 2004060975 A beschrieben. Er wird in einem Brennstoffzellensystem zur Kühlung von Ladeluft eingesetzt und ersetzt hierbei einen herkömmlichen Ladeluftkühler. In einem Brennstoffzellensystem wird der Brennstoffzelle Luft zugeführt, die zuvor von einem Verdichter komprimiert worden ist. Wird die von dem Verdichter verdichtete Luft durch den ersten, inneren Innenraum des Schlauchs geleitet und die Abluft der Brennstoffzelle durch den zweiten, äußeren Innenraum des Schlauchs geleitet, kühlt die Abluft die komprimierte Zuluft ab, so dass der Schlauch einen Ladeluftkühler ersetzt. Da die kühlere Luft die wärmere Luft in dem Schlauch umgibt, erwärmt sich die Außenwand des Schlauchs nicht übermäßig.
In Brennstoffzellensystemen wird die komprimierte Luft üblicherweise befeuchtet. Hierbei werden häufig so genannte Gas-zu-Gas-Befeuchter verwendet. Ein feuchtes Gas, typischerweise die Abluft der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, wird durch ein System feiner Röhrchen geleitet. Die Zuluft, typischerweise nachdem sie bereits komprimiert ist, wird durch ein System von mit diesen feinen Röhrchen kommunizierenden weiteren Röhrchen geleitet. Hierbei wird über poröse Wände zwischen den einen und den anderen Röhrchen Feuchtigkeit von der Abluft zur Zuluft übertragen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem weiter zu verbessern und hierfür geeignete Mittel bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch einen Schlauch mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
Der erfindungsgemäße Schlauch zeichnet sich dadurch aus, dass die Trennwand wasserdurchlässig und/oder wasserdampfdurchlässig ist. Der Schlauch kann neben seiner Funktionalität als Ladeluftkühler dann gleichzeitig als Befeuchter fungieren. Dadurch kann in einem Brennstoffzellensystem neben einem gesonderten Ladeluftkühler auch auf einen gesonderten Befeuchter verzichtet werden oder ein solcher Befeuchter kleiner ausgelegt werden als es sonst nötig wäre.
Ein sich besonders gut für die Trennwand eignendes Material ist Polyphenylsulfon. Dieses kann besonders gut mit (insbesondere mikroskopisch) kleinen Perforationen ausgestattet werden, über die Wasser die Trennwand durchdringen kann.
Die Trennwand kann neben ihrer eigentlichen Funktion als Wand auch die Wärmeübertragung zwischen dem ersten Innenraum und dem zweiten Innenraum fördern. Hierzu können Fortsätze und/oder Stege bereitgestellt sein, und zwar zum ersten Innenraum oder auch zum zweiten Innenraum oder auch zu beiden hin.
Die Außenwand kann in ganz herkömmlicher Weise aus Kunststoff bestehen. Da die Außenwand lediglich mit der Abluft kommuniziert, bestehen keine besonderen Anforderungen an das auszuwählende Material.
Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist zumindest eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt. Der Brennstoffzellenstapel (bzw. die Brennstoffzelle) weist einen Eingang zum Zuführen von Luft sowie einen Ausgang zum Abführen von Luft auf. Ein Verdichter verdichtet die Luft vor deren Zufuhr zum Eingang. Der erfindungsgemäße Schlauch wird so angeordnet, dass Luft aus dem Verdichter durch einen der Innenräume zum Eingang strömt und vom Ausgang über den anderen Innenraum ausströmt. Es wird bevorzugt vom Gegenstromprinzip Gebrauch gemacht, wobei die Anordnung insbesondere dann derartig ist, dass die wärmere Luft, also die Luft aus dem Verdichter, durch den ersten Innenraum strömt und die Luft aus der Brennstoffzelle durch den zweiten Innenraum strömt.
Wie oben bereits erwähnt, hat der Schlauch eine Funktionalität als Ladeluftkühler und als Befeuchter. So sind keine weiteren Befeuchter notwendig und auch keine weiteren Ladeluftkühler: Der Schlauch kann das einzige Funktionsteil zwischen Verdichter und Brennstoffzelle sein, wobei unter „Funktionsteil” ein solches Bauteil verstanden wird, das das transportierte Medium, vorliegend die Luft, in irgendeiner Weise beeinflusst. Funktionsteile sind alle Bauteile neben herkömmlichen Rohrleitungen.
Möglicherweise ist es sinnvoll, neben dem Schlauch auch einen weiteren Ladeluftkühler bereitzustellen. Da der Schlauch selbst als Ladeluftkühler fungiert, muss letzterer jedoch nicht so viel leisten wie Ladeluftkühler in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ohne den erfindungsgemäßen Schlauch. Der Schlauch übernimmt gleichzeitig die Funktion eines Befeuchters. Bevorzugt wird auf einen weiteren Befeuchter verzichtet, d. h. dass Schlauch und Ladeluftkühler die einzigen Funktionsteile zwischen Verdichter und Brennstoffzelle sind.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schlauch veranschaulicht und
2 bis 4 die zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen Bauteile eines Brennstoffzellensystems bei drei unterschiedlichen Ausführungsformen veranschaulichen.
1: Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Schlauch weist eine Außenwand 12 mit ringförmigem Querschnitt auf. Im Schlauch 10 ist eine Trennwand 14 bereitgestellt. Die Grundform der Trennwand 14 hat einen ebenfalls ringförmigen Querschnitt. Die Trennwand 14 ist im Querschnitt aus Teilringsegmenten 16 gebildet, die durch Stegelemente 17 voneinander getrennt sind, wobei diese sich zu beiden Seiten der Teilringelemente 16 hin erstrecken. Durch die Trennwand 14 wird ein Innenraum 18 umgrenzt. Gleichzeitig wird zwischen Außenwand 12 und Trennwand 14 ein zweiter Innenraum 20 gebildet. Die Trennwand 14 ist wasserdurchlässig und/oder wasserdampfdurchlässig, und zwar besteht sie bevorzugt aus Polyphenylsulfon.
Der Schlauch 10 wird in Brennstoffzellensystemen 100a (2), 100b (3) und 100c (4) eingesetzt. Herzstück eines Brennstoffzellensystems ist ein Brennstoffzellenstapel 22, der vorliegend zumindest eine Brennstoffzelle umfassen soll. Der Brennstoffzellenstapel 22 weist einen Eingang 24 zum Zuführen von Luft und einen Ausgang 26 zum Abführen von Luft auf. Die zuzuführende Luft wird über einen Eingang 28 des Brennstoffzellensystems angesogen und durch einen Verdichter 30 komprimiert. Beim Komprimieren der Luft erwärmt sich diese. Daher muss die Luft abgekühlt werden, bevor sie dem Eingang 24 des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt wird. Vorliegend wird hierzu der Schlauch 10 genutzt: Die Luft aus dem Verdichter 30 wird durch den ersten Innenraum 18 im Schlauch 10 geleitet, bevor sie den Eingang 24 erreicht. Gleichzeitig wird die aus dem Ausgang 26 austretende Abluft durch den zweiten Innenraum 20 im Schlauch 10 geleitet. Die vom Verdichter erwärmte Zuluft wird durch die Abluft abgekühlt. Wärme wird hierbei über die Trennwand 14 übertragen. Die Wärmeübertragung wird durch die Stegelemente 17 gefördert. Da die Trennwand 14 wasserdurchlässig ist, wird gleichzeitig das üblicherweise in der Abluft eines Brennstoffzellenstapels enthaltene Wasser durch die Trennwand 14 auf die Zuluft zum Brennstoffzellenstapel 22 übertragen. Eine Befeuchtung der Zuluft ist für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 unentbehrlich.
Bei allen drei Ausführungsformen gemäß 2, 3 und 4 ist auf einen zusätzlichen Befeuchter verzichtet, weil wegen der Wasserdurchlässigkeit der Trennwand 14 eine Befeuchtung bereits im Schlauch 10 erfolgt. Bei dem Brennstoffzellensystem 100a aus 2 ist der Schlauch 10 das einzige Funktionselement zwischen Verdichter 30 und Eingang 24 des Brennstoffzellenstapels 22. Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist davon ausgegangen, dass die Zuluft durch den Schlauch 10 nicht ausreichend gekühlt wird, so dass ein zusätzlicher Ladeluftkühler 32 bereitgestellt ist. Dieser ist beim Brennstoffzellensystem 100b gemäß 3 in Strömungsrichtung der Zuluft hinter dem Schlauch 10 und vor dem Eingang 24 angeordnet. Beim Brennstoffzellensystem 100c gemäß 4 ist der zusätzliche Ladeluftkühler 32 hingegen in Strömungsrichtung der aus dem Verdichter 30 austretenden Zuluft vor dem Schlauch 10 angeordnet. Bei den Ausführungsformen 100b und 100c kann der zusätzliche Ladeluftkühler entweder ein Gas-Gas-Ladeluftkühler (gestrichelte Linien) oder ein Gas-Flüssigkeits-Ladeluftkühler sein (durchgezogene Linien). Dies ist durch Pfeile in den Darstellungen wiedergegeben.

10: Schlauch
12: Außenwand
14: Trennwand
16: Teilringsegment, Teilringelement
17: Stegelemente
18, 20: Innenräume
100a, b, c: Brennstoffzellensysteme
22: Brennstoffzellenstapel
24, 28: Eingang
26: Ausgang
30: Verdichter
32: Ladeluftkühler

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

- JP 2004060975 A [0002]

Claims

Schlauch (10) mit einer Außenwand (12) und einer Trennwand (14), die einen ersten Innenraum (18) umgrenzt und zusammen mit der Außenwand (12) einen zweiten Innenraum (20) umgrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (14) wasserdurchlässig und/oder wasserdampfdurchlässig ist.
Schlauch (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (14) zumindest teilweise aus Polyphenylsulfon gebildet ist.
Schlauch (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand Fortsätze und/oder Stege (17) zum ersten und/oder zum zweiten Innenraum (18; 20) hin aufweist.
Schlauch (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (12) aus Kunststoff besteht.
Brennstoffzellensystem (100a, 100b, 100c) mit zumindest einer Brennstoffzelle, die einen Eingang (24) zum Zuführen von Luft aufweist und einen Ausgang (26) zum Abführen von Luft aufweist, wobei ein Verdichter (30) zum Verdichten der Luft vor deren Zufuhr zum Eingang (24) in die Brennstoffzelle bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlauch (10) nach Anspruch 1 so angeordnet ist, dass Luft aus dem Verdichter (30) durch einen der Innenräume (18, 20) zum Eingang strömt und vom Ausgang über den anderen Innenraum (20, 18) ausströmt.
Brennstoffzellensystem (100a, 100b, 100c) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Schlauchs (10) im Brennstoffzellensystem derartig ist, dass die Luft aus dem Verdichter (30) durch den ersten Innenraum (18) strömt und die Luft aus der Brennstoffzelle durch den zweiten Innenraum (20) strömt.
Brennstoffzellensystem (100a), dadurch gekennzeichnet, dass der Schlauch (10) das einzige Funktionsteil zwischen Verdichter (30) und Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem (100b, 100c) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdichter (30) und Brennstoffzelle zusätzlich ein Ladeluftkühler (32) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100b, 100c) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schlauch (10) und Ladeluftkühler (32) die einzigen Funktionsteile zwischen Verdichter (30) und Brennstoffzelle sind.