DE102009034095B4

DE102009034095B4 - Membranbefeuchteranordnung für brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102009034095B4
Application number: DE102009034095.5A
Authority: DE
Inventors: Gary M. Robb; Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: CN101635365B; US8091868B2; CN101635365A; DE102009034095A1; US20100019400A1

Abstract

Membranbefeuchteranordnung (1210) für eine Brennstoffzelle, umfassend:
eine erste im Wesentlichen planare Membranschicht (1222);
eine zweite im Wesentlichen planare Membranschicht (1224), die von der ersten Membranschicht (1222) beabstandet ist;
eine dritte im Wesentlichen planare Membranschicht (1228), die von der zweiten Membranschicht (1224) beabstandet ist;
erste Strömungskanäle (1218) für trockenes Gas, die durch ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe (1220), die zwischen der ersten Membranschicht (1222) und der zweiten Membranschicht (1224) benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, und ein erstes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe (1248), die zwischen dem ersten Paar beabstandeter Dichtstäbe (1220) angeordnet sind, geformt sind;
zweite Strömungskanäle (1216) für feuchtes Gas, die durch ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe (1226), die zwischen der zweiten Membranschicht (1224) und der dritten Membranschicht (1228) benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, und längliche polymere Bänder (68), die zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben (1226) angeordnet sind, geformt sind, wobei die längliche polymere Bänder (68) zwischen benachbarten planaren Elementen (70) angeordnet sind, die an die erste und zweite Membranschicht (1222, 1224) angrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einheit zur Übertragung von Wasserdampf für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Membranbefeuchteranordnung für ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme werden bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen zunehmend als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung in Energieverbrauchern vorgeschlagen worden, wie beispielsweise in Fahrzeugen als ein Ersatz für Verbrennungsmotoren. Ein derartiges System ist in der US 2004 / 0 209 150 A1 offenbart, die hierdurch in ihrer Gesamtheit hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Brennstoffzellen können auch als stationäre Anlagen für elektrische Energie in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellensysteme Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor vorzusehen.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, direkt mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und Sauerstoff werden kombiniert, um in der Bildung von Wasser zu resultieren. Andere Brennstoffe können verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle abgeleitete synthetische Brennstoffe.
Der Grundprozess, der von einem Brennstoffzellensystem verwendet wird, ist effizient, im Wesentlichen umweltfreundlich, leise, frei von beweglichen Teilen (mit der Ausnahme eines Luftkompressors, von Kühlgebläsen, Pumpen und Aktuatoren) und kann so ausgebildet sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, zu bezeichnen. Die Vielzahl von Zellen werden typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme konstruiert werden, um ein gewünschtes Leistungsabgabeniveau zu erzeugen, wodurch eine Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion für verschiedene Anwendungen bereitgestellt wird.
Es können verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen werden, wie beispielsweise Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran- (PEM)- Typen. Die Grundkomponenten einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden gemeinsam eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Bei einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA schichtartig zwischen „Anoden“- und „Kathoden“-Diffusionsmedien (nachfolgend „DM's“) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier. Die DM's dienen als die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEA vor. Alternativ können die DM's die Katalysatorschicht enthalten und in Kontakt mit der Membran stehen. Die DM's und die MEA werden zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels in dem Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb des Stapels in dem Fall von monopolaren Platten an dem Ende des Stapels.
Die Sekundärstromkollektorplatten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die Hauptseiten der Anode und Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete, die auch als Strömungsfelder bekannt sind, umfassen typischerweise eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen dazwischen definieren. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden an jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle an die Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt. Auf der entgegengesetzten Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle an die Kathode, an der der Sauerstoff die Protonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden als Nutzenergie durch eine externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und Sauerstoff kombiniert, um Wasserdampf an der Kathodenseite zu erzeugen.
Viele Brennstoffzellen verwenden interne Membrane, wie die Brennstoffzelle vom PEM-Typ, die Protonenaustauschmembranen enthält, die auch als Polymerelektrolytmembranen bezeichnet werden. Um innerhalb eines gewünschten Wirkungsgradbereiches zu arbeiten, ist es erwünscht, die Membranen in einem feuchten Zustand zu halten. Daher ist es notwendig, ein Mittel zur Beibehaltung der Brennstoffzellenmembranen in dem feuchten Zustand bereitzustellen. Dies hilft, einen Schaden an den Membranen oder eine verkürzte Lebensdauer der Membranen zu vermeiden wie auch den gewünschten Betriebswirkungsgrad beizubehalten. Beispielsweise führt ein geringerer Wassergehalt der Membran zu einem höheren Protonenleitungswiderstand, was in einem höheren ohmschen Spannungsverlust resultiert. Die Befeuchtung der Zufuhrgase, insbesondere an dem Kathodeneinlass, ist erwünscht, um einen ausreichenden Wassergehalt in der Membran aufrechtzuerhalten. Eine Befeuchtung in einer Brennstoffzelle ist in der US 7,036,466 B2 von Goebel et al.; der US 2006 0 029 837 A1 von Sennoun et al.; und der US 2005 0 260 469 A1 von Forte beschrieben, die jeweils hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Um ein gewünschtes Feuchtigkeitsniveau aufrecht zu erhalten, wird häufig ein Luftbefeuchter verwendet, um den in der Brennstoffzelle verwendeten Luftstrom zu befeuchten. Der Luftbefeuchter besteht normalerweise aus einem runden oder kastenartigen Luftbefeuchtungsmodul, das in einem Gehäuse des Luftbefeuchters angebracht ist. Beispiele dieses Typs von Luftbefeuchter sind in der US 7,156,379 B2 von Tanihara et al. und der US 6,471,195 B2 gezeigt und beschrieben, die hierdurch in seiner Gesamtheit hier Bezugnahme eingeschlossen sind.
Membranbefeuchter, wie Wasserdampfübertragungs- (WVT-) Einheiten, sind auch dazu verwendet worden, Brennstoffzellenbefeuchtungsanforderungen zu erfüllen. Für die Anwendung einer Brennstoffzellenbefeuchtung für Kraftfahrzeuge muss ein derartiger Membranbefeuchter kompakt sein, einen geringen Druckabfall aufweisen und hohe Leistungscharakteristiken besitzen. Typische Membranbefeuchter umfassen eine feuchte Platte, die eine Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen benachbart eines DM aufweist. Die Strömungskanäle sind derart ausgebildet, um ein feuchtes Fluid von der Kathode der Brennstoffzelle an den Austrag zu fördern. Typische Membranbefeuchter umfassen auch eine trockene Platte, die eine Vielzahl von darin geformten Strömungskanälen benachbart eines DM aufweist. Die Strömungskanäle sind derart ausgebildet, um ein trockenes Fluid von einer Gasquelle an die Kathode der Brennstoffzelle zu fördern. Eine ähnliche Membranbefeuchteranordnung kann gegebenenfalls für eine Anodenseite der Brennstoffzelle oder anderweitig verwendet werden. Um eine Leckage von Reaktandengas von der feuchten Seite zu der trockenen Seite zu vermeiden, muss der Membranbefeuchter angemessen abgedichtet sein. Ein Verlust von Reaktandengas von der feuchten Seite zu der trockenen Seite oder von der trockenen Seite zu der feuchten Seite beeinträchtigt das Befeuchtungsniveau der durch den Membranbefeuchter strömenden Reaktanden, wie auch die Stöchiometrie der durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Reaktanden.
Die Strömungskanäle sind typischerweise auf beiden Seiten der feuchten Platte und der trockenen Platte ausgebildet, die durch ein Steg getrennt sind. Der Steg wirkt der Verformung des die Strömungskanäle bildenden Materials entgegen. Durch Verwendung des Stegs zur Abstützung der Platten und Strömungskanäle sind die Gesamtabmessungen der Platten und der Strömungskanäle erhöht, was in erhöhten Material- und Herstellkosten wie auch einer erhöhten Herstellzeit des Membranbefeuchters resultiert.
Da die Gesamtabmessungen der Platten des Membranbefeuchters zunehmen, nimmt die thermische Masse des Membranbefeuchters zu. Eine Zunahme der thermischen Masse hat eine Zunahme einer Aufwärmzeit während eines Inbetriebnahmevorganges eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs zur Folge. Während des Inbetriebnahmevorganges wird der Membranbefeuchter typischerweise nur durch eine Strömung von Kathodenreaktand aufgewärmt. Somit nimmt, da die thermische Masse des Membranbefeuchters zunimmt, die Menge an Kathodenreaktand, die den Membranbefeuchter erwärmen muss, zu.
Die US 2005 / 0 188 844 A1 offenbart Wärme- und Feuchtetauscher, der zwischen Einlass- und Auslasshalterplatten abwechselnd angeordnet Trockengasseparatoren, Membranen und Feuchtgasseparatoren aufweist, wobei zwischen den Gasseparatoren und den Membranen Dichtungsabschnitte vorgesehen sind. Die Trocken- und Feuchtgasseparatoren sind jeweils mit Durchflussnuten zum Leiten der jeweiligen Gasströmung versehen, wobei die Durchflussnuten sowohl der Trocken- als auch Feuchtgasseparatoren durch jeweilige einteilig ausgebildete Stützwände unterteilt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranbefeuchteranordnung bereitzustellen, bei der die Abmessungen, die Materialkosten wie auch die Montagezeit der Membranbefeuchteranordnung minimiert sind, während gleichzeitig unterschiedliche Druckbedingungen der trockenen und feuchten Strömung innerhalb der Membranbefeuchteranordnung berücksichtigt werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Membranbefeuchteranordnung für eine Brennstoffzelle eine erste im Wesentlichen planare Membranschicht; eine zweite im Wesentlichen planare Membranschicht, die von der ersten Schicht beabstandet ist; eine dritte im Wesentlichen planare Membranschicht, die von der zweiten Schicht beabstandet ist; ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, um einen ersten Strömungskanal dazwischen zu formen; ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe, die zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, um einen zweiten Strömungskanal dazwischen zu formen; einen ersten Träger, der benachbart der zweiten Schicht angeordnet ist und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt; und einen zweiten Träger umfassen, der benachbart der dritten planaren Schicht angeordnet ist und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine Membranbefeuchteranordnung für eine Brennstoffzelle eine erste im Wesentlichen planare Membranschicht; eine zweite im Wesentlichen planare Membranschicht, die von der ersten Schicht beabstandet ist; eine dritte im Wesentlichen planare Membranschicht, die von der zweiten Schicht beabstandet ist; ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, um einen ersten Strömungskanal dazwischen zu formen; eine erste Vielzahl mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe, die zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind und sich zwischen dem ersten Paar von Dichtstäben erstrecken; ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe, die zwischen der zweiten Schicht und der dritten Schicht benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, um einen zweiten Strömungskanal dazwischen zu formen; einen ersten Träger, der benachbart der zweiten Schicht angeordnet ist und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt; und einen zweiten Träger umfassen, der benachbart der dritten planaren Schicht angeordnet ist und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann ein zur Herstellung der erfindungsgemäßen Membranbefeuchteranordnung ausführbares, beispielhaftes Verfahren zum Herstellen eines Membranbefeuchters für ein Brennstoffzellensystem die Schritte umfassen, dass mehrere beabstandete und im Wesentlichen planare Schichten, die aus einer Membran geformt sind, mehrere Dichtstäbe und eine Vielzahl von Trägern bereitgestellt werden; ein erstes Paar von Dichtstäben bereitgestellt wird und das erste Paar von Dichtstäben zwischen eine erste planare Schicht und eine zweite planare Schicht benachbart deren Umfangsränder geklebt wird, um einen ersten Strömungskanal zu formen; ein zweites Paar von Dichtstäben bereitgestellt wird und das zweite Paar von Dichtstäben zwischen die zweite planare Schicht und eine dritte planare Schicht benachbart deren Umfangsränder geklebt wird, um einen zweiten Strömungskanal zu formen; ein erster Träger bereitgestellt wird, der benachbart der zweiten planaren Schicht angeordnet ist und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt, und der erste Träger an die zweite planare Schicht geklebt wird; und ein zweiter Träger bereitgestellt wird, der benachbart der dritten planaren Schicht angeordnet wird und sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben erstreckt, und der zweite Träger an die dritte planare Schicht geklebt wird.
Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Membranbefeuchters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Membranbefeuchters von 1 ist;
3 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 2 entlang der Linie 3-3 ist;
4 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 2 entlang der Linie 4-4 ist;
5 eine Draufsicht eines Trockenfluiddurchganges des Membranbefeuchters von 2 ist;
6 eine Draufsicht eines Feuchtfluiddurchganges des Membranbefeuchters von 2 ist;
7 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Membranbefeuchters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 7 entlang der Linie 8-8 ist;
9 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 7 entlang der Linie 9-9 ist;
10 eine Draufsicht eines Feuchtfluiddurchganges des Membranbefeuchters von 7 ist;
11 eine Draufsicht eines Trockenfluiddurchganges des Membranbefeuchters von 7 ist;
12 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines Membranbefeuchters gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
13 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 12 entlang der Linie 13-13 ist; und
14 eine Schnittansicht des Membranbefeuchters von 12 entlang der Linie 14-14 ist.

1 zeigt schematisch einen Membranbefeuchter 10 für eine Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems (nicht gezeigt). Es sei jedoch zu verstehen, dass der Membranbefeuchter 10 gegebenenfalls für eine Anodenseite des Brennstoffzellensystems oder anderweitig verwendet werden kann. Der Membranbefeuchter 10 umfasst eine feuchte Seite 12, die derart angepasst ist, um ein feuchtes Fluid aufzunehmen, und eine trockene Seite 14, die derart angepasst ist, um ein trockenes Fluid aufzunehmen.
Der hier verwendete Begriff „feuchtes Fluid“ bezeichnet ein Fluid, wie beispielsweise Luft und Gasmischungen aus O₂, N₂, H₂O und H₂ einschließlich Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser darin bei einem Niveau oberhalb dem des trockenen Fluides. „Trockenes Fluid“ bezeichnet ein Fluid, wie beispielsweise Luft und Gasmischungen aus O₂, N₂, H₂O sowie H₂ ohne Wasserdampf oder mit Wasserdampf und/oder flüssigem Wasser darin bei einem Niveau, das geringer als das des feuchten Fluides ist. Ein Druck des feuchten Fluides, das durch die feuchte Seite 12 getrieben wird, ist geringer als ein Druck des trockenen Fluides, das durch die trockene Seite 14 getrieben wird. Wie in 1 gezeigt ist, sind in der feuchten Seite 12 geformte Strömungskanäle 16 derart angepasst, um das feuchte Fluid von der Kathode des Brennstoffzellensystems zu einem Austrag (nicht gezeigt) zu fördern. In der trockenen Seite 14 geformte Strömungskanäle 18 sind derart angepasst, um ein trockenes Fluid von einer Fluidquelle (nicht gezeigt) an die Kathode des Brennstoffzellensystems zu fördern. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Gase oder Mischungen von Gasen verwendet werden können.
Bei der in den 2 - 6 gezeigten Ausführungsform umfasst der Membranbefeuchter 210 ein Paar von Strömungskanälen 216, 216', um ein feuchtes Fluid zu fördern, und ein Paar von Strömungskanälen 218, 218', um ein trockenes Fluid zu fördern. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls eine beliebige Anzahl von Strömungskanälen in dem Membranbefeuchter 210 geformt sein kann. Die Strömungskanäle 216, 216' der feuchten Seite 212 sind rechtwinklig zu den Strömungskanälen 218, 218' der trockenen Seite 214 angeordnet, um eine Kreuzstromkonfiguration bereitzustellen, wie in 2 gezeigt ist. Jedoch können gegebenenfalls auch andere Konfigurationen, wie beispielsweise eine Gleichstromkonfiguration oder eine Gegenstromkonfiguration, verwendet werden.
Um den Membranbefeuchter 210 auszubilden, wird ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe 220 zwischen einer ersten im Wesentlichen planaren Membranschicht 222 und einer zweiten im Wesentlichen planaren Membranschicht 224 angeordnet. Das erste Paar von Dichtstäben 220 ist an Umfangsränder der ersten Membranschicht 222 und der zweiten Membranschicht 224 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 218 geformt wird. Ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe 226 ist zwischen der zweiten Membranschicht 224 und einer dritten im Wesentlichen planaren Membranschicht 228 rechtwinklig zu dem ersten Paar von Dichtstäben 220 angeordnet. Das zweite Paar von Dichtstäben 226 ist an Umfangsränder der zweiten Membranschicht 224 und der dritten Membranschicht 228 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 216 geformt wird.
Ein drittes Paar beabstandeter Dichtstäbe 230 ist zwischen der dritten Membranschicht 228 und einer vierten im Wesentlichen planaren Membranschicht 232 parallel zu dem ersten Paar von Dichtstäben 220 angeordnet. Das dritte Paar von Dichtstäben 230 ist an Umfangsränder der dritten Membranschicht 228 und der vierten Membranschicht 232 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 218' geformt wird. Ein viertes Paar beabstandete Dichtstäbe 234 ist zwischen der vierten Membranschicht 232 und einer fünften im Wesentlichen planaren Membranschicht 236 rechtwinklig zu dem ersten Paar von Dichtstäben 220 angeordnet. Das vierte Paar von Dichtstäben 234 ist an Umfangsränder der vierten Membranschicht 232 und der fünften Membranschicht 236 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 216' geformt wird.
Bei der in den 2 - 6 gezeigten Ausführungsform können die Dichtstäbe 220, 226, 230, 234 aus einem Stahl, einem Polymer, einem Graphit oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial hergestellt sein. Die Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 können aus einer beliebigen herkömmlichen Membran geformt sein, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure (PFSA), wie der Membran, die mit der Marke Nafion^® vertrieben wird, eine hydrophile Polymermembran, eine Membran auf Kohlenwasserstoffbasis und eine Polymerkompositmembran. Gegebenenfalls können andere Materialien für die Dichtstäbe 220, 226, 230, 234 und die Membranschichten 222, 224, 228, 232 verwendet werden.
Ein erster Träger 238 ist benachbart der zweiten Membranschicht 224 und zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 226 angeordnet, und ein zweiter Träger 240 ist benachbart der dritten Membranschicht 228 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 226. Der erste Träger 238 und der zweite Träger 240 sind an die zweite Membranschicht 224 bzw. die dritte Membranschicht 228 geklebt. Ein dritter Träger 242 ist benachbart der vierten Membranschicht 232 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 234 angeordnet, und ein vierter Träger 244 ist benachbart der fünften Membranschicht 236 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 234 angeordnet. Der dritte Träger 242 und der vierte Träger 244 sind an die vierte Membranschicht 232 bzw. die fünfte Membranschicht 236 geklebt. Die Träger 238, 240, 242, 244 können gegebenenfalls einen Abschnitt der Dichtstäbe 226, 234 überlappen. Die Träger 238, 240, 242, 244 können gegebenenfalls an die Dichtstäbe 226, 234 geklebt sein. Die Träger 238, 240, 242, 244 können aus einem Schaum, einer gewellten Metallfolie, einem Sieb oder einem Papier hergestellt sein. Die Träger 238, 240, 242, 244 können auch eine im Wesentlichen planare Gruppierung aus länglichen polymeren Bändern aufweisen, die zwischen benachbarten Trägerschichten angeordnet sind, um eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen zu definieren, ähnlich dem Membranbefeuchter der eigenen Patentanmeldung Seriennr. 11/868,760, die hierdurch in ihrer Gesamtheit hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Gegebenenfalls können die Träger nur in den in der feuchten Seite 112 geformten Kanälen angeordnet sein, da die Strömung des feuchten Fluides durch die feuchte Seite 212 einen Druck besitzt, der geringer als der Druck des durch die trockene Seite 214 strömenden trockenen Fluides ist. Daher übt nur das durch die trockene Seite 214 strömende Fluid eine Kraft auf eine Membran des Membranbefeuchters 210 aus.
Um den Membranbefeuchter 210 zusammenzubauen, wird ein Klebstoff auf die Dichtstäbe 220, 226, 230, 234 und/oder die Umfangsränder der Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 aufgetragen. Der Klebstoff kann auch auf die Träger 238, 240, 242, 244 oder den Abschnitt der Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236, an den die Träger 238, 240, 242, 244 geklebt werden, aufgetragen werden. Der Klebstoff kann auf die Komponenten kurz vor dem Zusammenbau manuell aufgetragen werden oder der Klebstoff kann an den Komponenten während ihrer Herstellung im Vorgriff auf einen späteren Zusammenbau geformt werden. Auch können die verschiedenen Komponenten, wie beispielsweise die Träger 238, 240, 242, 244 und die Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236, vor dem endgültigen Zusammenbau aller Komponenten des Membranbefeuchters 210 aneinander geklebt werden. Gegebenenfalls kann der Klebstoff beispielsweise ein Epoxidharz der B-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid, ein drucksensitiver Klebstoff oder ein beliebiger anderer herkömmlicher Klebstoff sein.
Sobald der Klebstoff auf die gewünschten Komponenten des Membranbefeuchters 210 aufgetragen ist, wird eine Kompressionslast auf den Membranbefeuchter 210 ausgeübt, um eine gewünschte Höhe bzw. einen gewünschten Betrag an Anhaftung bzw. Klebung der verschiedenen Komponenten sicherzustellen und damit eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, um einer unerwünschten Leckage von Reaktandengasen zwischen der trockenen Seite 214 und der feuchten Seite 212 entgegenzuwirken. Dadurch, dass die Komponenten des Membranbefeuchters 210 abgedichtet werden und Leckagen entgegengewirkt wird, sind die Stöchiometrie der Reaktanden, die durch das Brennstoffzellensystem getrieben werden, wie auch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems maximiert. Ferner sind dadurch, dass die verschiedenen Komponenten des Membranbefeuchters 210 ohne die Verwendung manueller Befestigungseinrichtungen, Platten sowie anderer Komponenten, wie es in der Technik bekannt ist, aneinander geklebt werden, die Komplexität des Zusammenbaus des Membranbefeuchters 210 wie auch dessen Gewicht minimiert. Durch Minimieren des Gewichts des Membranbefeuchters 210 ist die thermische Masse des Membranbefeuchters 210 minimiert, wodurch der Wirkungsgrad des Membranbefeuchters 210 erhöht sowie dessen Aufwärmzeit minimiert wird. Wie in 3 gezeigt ist, kann eine Vielzahl entfernbarer Werkzeuge 246, die derart angepasst sind, um die Membranschichten 222, 224, 228, 232, die die Strömungskanäle 218, 218' bilden, zu stützen, in den Strömungskanälen 218, 218' angeordnet sein, um deren Verformung während der Kompression des Membranbefeuchters 210 entgegenzuwirken. Sobald der Membranbefeuchter 210 komprimiert wird und dessen verschiedene Komponenten aneinander geklebt werden, werden die Werkzeuge 246 von den Strömungskanälen 218, 218' entfernt.
Im Betrieb wird ein feuchtes Fluid durch die Strömungskanäle 216, 216', die in der feuchten Seite 212 des Membranbefeuchters 210 ausgebildet sind, getrieben. Das feuchte Fluid wird von einer Versorgung für feuchtes Fluid, wie von einem Kathodenauslass eines Brennstoffzellensystems, aufgenommen. Es kann jegliches herkömmliche Mittel verwendet werden, um das feuchte Fluid an die Strömungskanäle 216, 216' zu liefern, wie beispielsweise eine Versorgungssammelleitung in Kommunikation damit. Das feuchte Fluid verlässt die Strömungskanäle 216, 216' und wird zu dem Austrag getrieben. Ein trockenes Fluid wird durch die Strömungskanäle 218, 218' getrieben, die in der trockenen Seite 214 ausgebildet sind. Das trockene Fluid wird von einer Versorgung für trockenes Fluid aufgenommen. Es kann jegliches herkömmliche Mittel dazu verwendet werden, das trockene Fluid an die Strömungskanäle 218, 218' zu liefern, wie beispielsweise ein Kompressor in Kommunikation mit den Strömungskanälen 218, 218'. Das trockene Fluid verlässt dann die Strömungskanäle 218, 218', die in der trockenen Seite 214 geformt sind, zu einer Komponente des Brennstoffzellensystems, wie einer Liefersammelleitung (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels.
Während der Strömung des feuchten Fluids durch die Strömungskanäle 216, 216' und der Strömung des trockenen Fluids durch die Strömungskanäle 218, 218' kann der molekulare Wassertransport von dem feuchten Fluid zu dem trockenen Fluid die folgenden Betriebsarten umfassen: A) einen Konvektionsmassentransport von Wasserdampf in den Strömungskanälen 216, 216' der feuchten Seite 212 und den Strömungskanälen 218, 218' der trockenen Seite 214; B) einen Diffusionstransport durch die Membranschichten 224, 228, 232, 236 benachbart der Strömungskanäle 216, 216' der feuchten Seite 212 sowie die Membranschichten 222, 224, 228, 232 benachbart der Strömungskanäle 218, 218' der trockenen Seite 214; und C) einen Wasserdampftransport durch die Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 durch Diffusion. Wenn zusätzlich eine Druckdifferenz zwischen den Strömungskanälen 216, 216' der feuchten Seite 212 und den Strömungskanälen 218, 218' der trockenen Seite 214 vorhanden ist, wird Wasser durch hydraulische Kräfte durch die Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 übertragen. Wenn zusätzlich das feuchte Fluid und das trockene Fluid verschiedene Temperaturen besitzen, kann eine Wärmeübertragung von dem heißen Fluid auf die Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 und von den Membranschichten 222, 224, 228, 232, 236 auf das kalte Fluid eine Wasserübertragung ebenfalls beeinflussen. Wasser kann in den Volumenphasen (d.h. jedes Fluid kann mitgerissenes flüssiges Wasser bei einer RF > 100 % enthalten) auch kondensieren oder verdampfen. Ein Enthalpieaustausch kann auch zwischen dem feuchten Fluid und dem trockenen Fluid in Verbindung mit dem Wasserfluss vorhanden sein.
Die 7 bis 11 zeigen einen Membranbefeuchter 710 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform der 7 bis 11 ist ähnlich dem Membranbefeuchter 210 der 2 bis 6, mit der Ausnahme, wie nachfolgend beschrieben ist. Wie bei der Struktur der 2 bis 6 umfassen die 7 bis 11 Bezugszeichen im 700-ter-Bereich anstatt im 200-ter-Bereich, wobei die verbleibenden beiden Zahlen gleich bleiben.
Bei der in den 7 bis 11 gezeigten Ausführungsform umfasst der Membranbefeuchter 710 ein Paar von Strömungskanälen 716, 716', um ein feuchtes Fluid zu fördern, sowie ein Paar von Strömungskanälen 718, 718', um ein trockenes Fluid zu fördern. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls eine beliebige Anzahl von Strömungskanälen in dem Membranbefeuchter 710 geformt sein kann. Die Strömungskanäle 716, 716' einer feuchten Seite 712 sind rechtwinklig zu den Strömungskanälen 718, 718' einer trockenen Seite 714 angeordnet, um eine Kreuzstromkonfiguration bereitzustellen, wie in 7 gezeigt ist. Jedoch können gegebenenfalls auch andere Konfigurationen, wie beispielsweise eine Gleichstromkonfiguration oder eine Gegenstromkonfiguration, verwendet werden.
Um den Membranbefeuchter 710 auszubilden, wird ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe 720 zwischen einer ersten im Wesentlichen planaren Membranschicht 722 und einer zweiten im Wesentlichen planaren Membranschicht 724 angeordnet. Das erste Paar von Dichtstäben 720 ist an Umfangsränder der ersten Membranschicht 722 und der zweiten Membranschicht 724 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 718 geformt wird. Ein zweites Paar von beabstandeten Dichtstäben 726 ist zwischen der zweiten Membranschicht 724 und einer dritten im Wesentlichen planaren Membranschicht 728 rechtwinklig zu den Dichtstäben 720 angeordnet. Das zweite Paar von Dichtstäben 726 ist an Umfangsränder der zweiten Membranschicht 724 und der dritten Membranschicht 728 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 716 geformt wird. Ein drittes Paar beabstandeter Dichtstäbe 730 ist zwischen der dritten Membranschicht 728 und einer vierten im Wesentlichen planaren Membranschicht 732 parallel zu dem ersten Paar von Dichtstäben 720 angeordnet. Das dritte Paar von Dichtstäben 730 ist an Umfangsränder der dritten Membranschicht 728 und der vierten Membranschicht 732 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 718' geformt wird. Ein viertes Paar von beabstandeten Dichtstäben 734 ist zwischen der vierten Membranschicht 732 und einer fünften im Wesentlichen planaren Membranschicht 736 rechtwinklig zu dem ersten Paar von Dichtstäben 720 angeordnet. Das vierte Paar von Dichtstäben 734 ist an Umfangsränder der vierten Membranschicht 732 und der fünften Membranschicht 736 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 716' geformt wird. Bei der in den 7 bis 11 gezeigten Ausführungsform können die Dichtstäbe 720, 726, 730, 734 gegebenenfalls aus einem Stahl, einem Polymer, einem Graphit oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial geformt sein. Die Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736 können aus einer beliebigen herkömmlichen Membran geformt sein, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure (PFSA), wie der Membran, die mit der Marke Nafion^® vertrieben wird, eine hydrophile Polymermembran, eine Membran auf Kohlenwasserstoffbasis und eine Polymerkompositmembran. Gegebenenfalls können andere Materialien für die Dichtstäbe 720, 726, 730, 734 und die Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736 verwendet werden.
Ein erstes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 48 ist zwischen der ersten Membranschicht 722 und der zweiten Membranschicht 724 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem ersten Paar von Dichtstäben 720. Das erste Paar von mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 48 ist an Umfangsränder der ersten Membranschicht 722 und der zweiten Membranschicht 724 geklebt. Ein zweites Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 54 ist zwischen der dritten Membranschicht 728 und der vierten Membranschicht 732 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem dritten Paar von Dichtstäben 730. Das zweite Paar von mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 54 ist an Umfangsränder der dritten Membranschicht 728 und der vierten Membranschicht 732 geklebt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 48, 54 aus einem im Wesentlichen planaren Element 50 geformt, das benachbart zu einem mit Zinnen versehenen Element 52 angeordnet und an diesem angeklebt ist, wodurch darin Öffnungen in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Strömungskanälen 718, 718' gebildet werden. Es sei zu verstehen, dass die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 48, 54 gegebenenfalls aus einem einzelnen Element, das Öffnungen aufweist, geformt sein können. Die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 48, 54 können gegebenenfalls aus einem Stahl, einem Polymer, einem Graphit oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial geformt sein.
Ein erster Träger 738 ist benachbart der zweiten Membranschicht 724 und zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 726 angeordnet, und ein zweiter Träger 740 ist benachbart der dritten Membranschicht 728 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 726. Der erste Träger 738 und der zweite Träger 740 sind an die zweite Membranschicht 724 bzw. die dritte Membranschicht 728 geklebt. Ein dritter Träger 742 ist benachbart der vierten Membranschicht 732 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 734 angeordnet, und ein vierter Träger 744 ist benachbart der fünften Membranschicht 736 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 734 angeordnet. Der dritte Träger 742 und der vierte Träger 744 sind an die vierte Membranschicht 732 bzw. die fünfte Membranschicht 736 geklebt. Die Träger 738, 740, 742, 744 sind derart angepasst, um einer Auslenkung oder Verzerrung der Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736 entgegenzuwirken, die durch Fluid bewirkt wird, das durch die trockene Seite 714 des Membranbefeuchters strömt. Die Träger 738, 740, 742, 744 können gegebenenfalls einen Abschnitt der Dichtstäbe 726, 734 überlappen. Die Träger 738, 740, 742, 744 können gegebenenfalls an die Dichtstäbe 726, 734 geklebt sein. Die Träger 738, 740, 742, 744 können aus einem Schaum, einer gewellten Metallfolie, einem Sieb oder einem Papier geformt sein. Die Träger 738, 740, 742, 744 können auch eine im Wesentlichen planare Gruppierung aus länglichen polymeren Bändern aufweisen, die zwischen benachbarten Trägerschichten angeordnet sind, um eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen zu definieren. Gegebenenfalls können die Träger nur in den in der feuchten Seite 712 geformten Kanälen angeordnet sein, da die Strömung des feuchten Fluides durch die feuchte Seite 712 einen Druck besitzt, der geringer als der Druck des durch die trockene Seite 714 strömenden trockenen Fluides ist. Daher übt nur das durch die trockene Seite 714 strömende Fluid eine Kraft auf eine Membranschicht des Membranbefeuchters 710 aus.
Um den Membranbefeuchter 710 zusammenzubauen, wird ein Klebstoff auf die Dichtstäbe 720, 726, 730, 734, 48, 54 und/oder die Umfangsränder der Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736 aufgetragen. Der Klebstoff kann auch auf die Träger 738, 740, 742, 744 oder den Abschnitt der Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736, an den die Träger 738, 740, 742, 744 geklebt werden, aufgetragen werden. Der Klebstoff kann auf die Komponenten kurz vor dem Zusammenbau manuell aufgetragen werden oder der Klebstoff kann an den Komponenten während ihrer Herstellung im Vorgriff auf einen späteren Zusammenbau geformt werden. Auch können die verschiedenen Komponenten, wie beispielsweise die Träger 738, 740, 742, 744 und die Membranschichten 722, 724, 728, 732, 736, vor dem endgültigen Zusammenbau aller Komponenten des Membranbefeuchters 710 aneinander geklebt werden. Gegebenenfalls kann der Klebstoff beispielsweise ein Epoxidharz der B-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid, ein drucksensitiver Klebstoff oder ein beliebiger anderer herkömmlicher Klebstoff sein.
Sobald der Klebstoff auf die gewünschten Komponenten des Membranbefeuchters 710 aufgetragen ist, wird eine Kompressionslast auf den Membranbefeuchter 710 ausgeübt, um eine gewünschte Höhe bzw. einen gewünschten Betrag an Anhaftung bzw. Klebung der verschiedenen Komponenten sicherzustellen und damit eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, um einer unerwünschten Leckage von Reaktandengasen zwischen der trockenen Seite 714 und der feuchten Seite 712 entgegenzuwirken. Dadurch, dass die Komponenten des Membranbefeuchters 710 abgedichtet werden und Leckagen entgegengewirkt wird, sind die Stöchiometrie der Reaktanden, die durch das Brennstoffzellensystem getrieben werden, wie auch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems maximiert. Ferner sind dadurch, dass die verschiedenen Komponenten des Membranbefeuchters 710 ohne die Verwendung manueller Befestigungseinrichtungen, Platten sowie anderer Komponenten, wie es in der Technik bekannt ist, aneinander geklebt werden, die Komplexität des Zusammenbaus des Membranbefeuchters 710 wie auch dessen Gewicht minimiert. Durch Minimieren des Gewichts des Membranbefeuchters 710 ist die thermische Masse des Membranbefeuchters 710 minimiert, wodurch der Wirkungsgrad des Membranbefeuchters 710 erhöht sowie dessen Aufwärmzeit minimiert wird. Wie in 7 gezeigt ist, sind die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 48, 54 derart angepasst, um die Membranschichten 722, 724, 728, 732 während der Kompression des Membranbefeuchters 710 zu stützen, während auch die Strömung von trockenem Fluid durch die darin geformten Öffnungen erleichtert wird. Die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 48, 54 sind derart angepasst, um die Membranschichten 722, 724, 728, 732, die die Strömungskanäle 718, 718' formen, zu stützen, um der Verformung derselben während der Kompression entgegenzuwirken.
Im Betrieb wird ein trockenes Fluid durch die in den mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 48, 54 geformten Öffnungen, durch die in der trockenen Seite 714 geformten Strömungskanäle 718, 718', durch die in den verbleibenden, mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 48, 54 geformten Öffnungen und dann zu einer Komponente des Brennstoffzellensystems getrieben, wie einer Liefersammelleitung (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels. Das trockene Fluid wird von einer Versorgung für trockenes Fluid aufgenommen. Es kann jegliches herkömmliche Mittel verwendet werden, um das trockene Fluid an die Strömungskanäle 718, 718' zu liefern, wie beispielsweise ein Kompressor in Kommunikation damit. Ein feuchtes Fluid wird durch die Strömungskanäle 716, 716', die in der feuchten Seite 712 geformt sind, getrieben. Das feuchte Fluid wird von einer Versorgung für feuchtes Fluid, wie von einem Kathodenauslass eines Brennstoffzellensystems, aufgenommen. Es kann ein beliebiges herkömmliches Mittel dazu verwendet werden, das feuchte Fluid an die Strömungskanäle 716, 716' zu liefern, wie beispielsweise eine Liefersammelleitung in Kommunikation mit den Strömungskanälen 716, 716'. Das feuchte Fluid verlässt dann die Strömungskanäle 718, 718', die in der feuchten Seite 712 geformt sind, zu dem Austrag.
Die 12 bis 14 zeigen einen Membranbefeuchter 1210 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform der 12 bis 14 ist ähnlich dem Membranbefeuchter 710 der 7 bis 11, mit der Ausnahme, wie nachfolgend beschrieben ist. Wie bei der Struktur der 7 bis 11 umfassen die 12 bis 14 Bezugszeichen im 1200-ter-Bereich anstatt im 700-ter-Bereich, wobei die verbleibenden beiden Zahlen gleich bleiben.
Bei der in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsform umfasst der Membranbefeuchter 1210 ein Paar von Strömungskanälen 1216, 1216', um ein feuchtes Fluid zu fördern, sowie ein Paar von Strömungskanälen 1218, 1218', um ein trockenes Fluid zu fördern. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls eine beliebige Anzahl von Strömungskanälen in dem Membranbefeuchter 1210 geformt sein kann. Die Strömungskanäle 1216, 1216' der feuchten Seite 1212 sind rechtwinklig zu den Strömungskanälen 1218, 1218' der trockenen Seite 1214 angeordnet, um eine Kreuzstromkonfiguration bereitzustellen, wie in 12 gezeigt ist. Jedoch können gegebenenfalls auch andere Konfigurationen, wie beispielsweise eine Parallelstromkonfiguration, verwendet werden.
Um den Membranbefeuchter 1210 auszubilden, wird ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe 1220 zwischen einer ersten im Wesentlichen planaren Membranschicht 1222 und einer zweiten im Wesentlichen planaren Membranschicht 1224 angeordnet. Das erste Paar von Dichtstäben 1220 ist an Umfangsränder der ersten Membranschicht 1222 und der zweiten Membranschicht 1224 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 1218 geformt wird. Ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe 1226 ist zwischen der zweiten Membranschicht 1224 und einer dritten im Wesentlichen planaren Membranschicht 1228 rechtwinklig zu dem ersten Paar von Dichtstäben 1220 angeordnet. Das zweite Paar von Dichtstäben 1226 ist an Umfangsränder der zweiten Membranschicht 1224 und der dritten Membranschicht 1228 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 1216 geformt wird. Ein drittes Paar beabstandeter Dichtstäbe 1230 ist zwischen der dritten Membranschicht 1228 und einer vierten im Wesentlichen planaren Membranschicht 1232 parallel zu dem ersten Paar von Dichtstäben 1220 angeordnet. Das dritte Paar von Dichtstäben 1230 ist an Umfangsränder der dritten Membranschicht 1228 und der vierten Membranschicht 1232 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 1218' geformt wird. Ein viertes Paar beabstandeter Dichtstäbe 1234 ist zwischen der vierten Membranschicht 1232 und einer fünften im Wesentlichen planaren Membranschicht 1236 rechtwinklig zu dem ersten Paar von Dichtstäben 1220 angeordnet. Das vierte Paar von Dichtstäben 1234 ist an Umfangsränder der vierten Membranschicht 1232 und der fünften Membranschicht 1236 geklebt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, wodurch der Strömungskanal 1216' geformt wird.
Bei der in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsform können die Dichtstäbe 1220, 1226, 1230, 1234 gegebenenfalls aus einem Stahl, einem Polymer, einem Graphit oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial geformt sein. Die Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 können aus einer beliebigen herkömmlichen Membran geformt sein, wie beispielsweise Perfluorsulfonsäure (PFSA), wie der Membran, die mit der Marke Nafion^® vertrieben wird, eine hydrophile Polymermembran, eine Membran auf Kohlenwasserstoffbasis und eine Polymerkompositmembran. Gegebenenfalls können andere Materialien für die Dichtstäbe 1220, 1226, 1230, 1234 und die Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 verwendet werden.
Ein erstes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 1248 ist zwischen der ersten Membranschicht 1222 und der zweiten Membranschicht 1224 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem ersten Paar von Dichtstäben 1220. Das erste Paar von Dichtstäben 1248 ist an Umfangsränder der ersten Membranschicht 1222 und der zweiten Membranschicht 1224 geklebt. Ein zweites Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 1254 ist zwischen der dritten Membranschicht 1228 und der vierten Membranschicht 1232 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem dritten Paar von Dichtstäben 1230. Das zweite Paar mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 1254 ist an Umfangsränder der dritten Membranschicht 1228 und der vierten Membranschicht 1232 geklebt. Ein drittes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 56 ist zwischen der zweiten Membranschicht 1224 und einer dritten Membranschicht 1228 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 1226. Das dritte Paar von mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 56 ist an Umfangsränder der zweiten Membranschicht 1224 und der dritten Membranschicht 1228 geklebt. Es sei zu verstehen, dass das dritte Paar von mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 56 gegebenenfalls aus einem einzelnen Element, das Öffnungen aufweist, geformt sein kann. Ein viertes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe 58 ist zwischen der vierten Membranschicht 1232 und einer fünften Membranschicht 1236 angeordnet und erstreckt sich zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 1234. Das vierte Paar von mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 58 ist an Umfangsränder der vierten Membranschicht 1232 und der fünften Membranschicht 1236 geklebt. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 1248, 1254, 56, 58 aus einem im Wesentlichen planaren Element 1250 geformt, das benachbart einem mit Zinnen versehenen Element 1252 angeordnet und an diesem angeklebt ist, wodurch Öffnungen darin in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Strömungskanälen 1218, 1218', 1216, 1216' gebildet werden. Es sei zu verstehen, dass die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 1248, 1254, 56, 58 gegebenenfalls aus einem einzelnen Element, das Öffnungen aufweist, geformt sein können. Bei der in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsform können die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 1248, 1254, 56, 58 gegebenenfalls aus einem Stahl, einem Polymer, einem Graphit oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial geformt sein.
Ein erster Träger 1238 ist benachbart der zweiten Membranschicht 1224 und zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben 1226 angeordnet, und ein zweiter Träger 1240 ist benachbart der dritten Membranschicht 1228 zwischen den Dichtstäben 1226 angeordnet. Der erste Träger 1238 und der zweite Träger 1240 sind an die zweite Membranschicht 1224 bzw. die dritte Membranschicht 1228 geklebt. Ein dritter Träger 1242 ist benachbart der vierten Membranschicht 1232 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 1234 angeordnet, und ein vierter Träger 1244 ist benachbart der fünften Membranschicht 1236 zwischen dem vierten Paar von Dichtstäben 1234 angeordnet. Der dritte Träger 1242 und der vierte Träger 1244 sind an die vierte Membranschicht 1232 bzw. die fünfte Membranschicht 1236 geklebt.
Ein fünfter Träger 60 ist benachbart der ersten Membranschicht 1222 und zwischen dem ersten Paar von Dichtstäben 1220 angeordnet, und ein sechster Träger 62 ist benachbart der zweiten Membranschicht 1224 zwischen dem ersten Paar von Dichtstäben 1220 angeordnet. Der fünfte Träger 60 und der sechste Träger 62 sind an die erste Membranschicht 1222 bzw. die zweite Membranschicht 1224 geklebt. Ein siebter Träger 64 ist benachbart der dritten Membranschicht 1228 und zwischen dem dritten Paar von Dichtstäben 1230 angeordnet, und ein achter Träger 66 ist benachbart der vierten Membranschicht 1232 zwischen dem dritten Paar von Dichtstäben 1230 angeordnet. Der siebte Träger 64 und der achte Träger 66 sind an die dritte Membranschicht 1228 bzw. die vierte Membranschicht 1232 geklebt.
Die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 sind derart angepasst, um einer Auslenkung oder Verzerrung der Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 entgegenzuwirken, die durch Fluid bewirkt wird, das durch die trockene Seite 714 des Membranbefeuchters strömt. Die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 können gegebenenfalls einen Abschnitt der Dichtstäbe 1220, 1226, 1230, 1234 überlappen. Die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 können gegebenenfalls an die Dichtstäbe 1220, 1226, 1230, 1234 geklebt sein. Bei der in den 12 bis 14 gezeigten Ausführungsform sind die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 aus einer Vielzahl einer im Wesentlichen planaren Gruppierung von länglichen polymeren Bändern 68 geformt, die zwischen benachbarten, im Wesentlichen planaren Elementen 70 angeordnet sind, die aus einem Schaum, einer gewellten Metallfolie, einem Sieb oder einem Papier ausgebildet sind. Die Bänder 68 und die planaren Elemente 70 wirken zusammen, um dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen zu definieren. Gegebenenfalls können Träger nur in den in der feuchten Seite 1212 geformten Kanälen angeordnet sein, da die Strömung des feuchten Fluids durch die feuchte Seite 1212 einen Druck besitzt, der geringer als der Druck des durch die trockene Seite 1214 strömenden, trockenen Fluides ist. Daher übt nur das durch die trockene Seite 1214 strömende Fluid eine Kraft auf eine Membranschicht des Membranbefeuchters 1210 aus.
Um den Membranbefeuchter 1210 zusammenzubauen, wird ein Klebstoff auf die Dichtstäbe 1220, 1226, 1230, 1234, 1248, 1254, 56, 58 und/oder die Umfangsränder der Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 aufgetragen. Der Klebstoff kann auch auf die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 oder den Abschnitt der Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 aufgetragen werden, an den die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 geklebt sind. Der Klebstoff kann kurz vor dem Zusammenbau manuell auf die Komponenten aufgetragen werden, oder der Klebstoff kann auf die Komponenten während ihrer Herstellung im Vorgriff auf einen späteren Zusammenbau geformt werden. Auch können die verschiedenen Komponenten, wie beispielsweise die Träger 1238, 1240, 1242, 1244, 60, 62, 64, 66 und die Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, 1236 vor einem endgültigen Zusammenbauen all der Komponenten des Membranbefeuchters 1210 zusammengeklebt werden. Gegebenenfalls kann der Klebstoff beispielsweise ein Epoxidharz der B-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid, ein drucksensitiver Klebstoff oder ein beliebiger anderer herkömmlicher Klebstoff sein. Sobald der Klebstoff auf die gewünschten Komponenten des Membranbefeuchters 1210 aufgetragen ist, wird eine Kompressionslast auf den Membranbefeuchter 1210 ausgeübt, um eine gewünschte Höhe bzw. einen gewünschten Betrag an Anhaftung bzw. Klebung der verschiedenen Komponenten sicherzustellen und damit eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu bilden, um einer unerwünschten Leckage von Reaktandengasen zwischen der trockenen Seite 1214 und der feuchten Seite 1212 entgegenzuwirken. Dadurch, dass die Komponenten des Membranbefeuchters 1210 abgedichtet sind und Leckagen entgegengewirkt wird, sind die Stöchiometrie der Reaktanden, die durch das Brennstoffzellensystem getrieben werden, wie auch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems maximiert. Ferner sind dadurch, dass die verschiedenen Komponenten des Membranbefeuchters 1210 ohne die Verwendung manueller Befestigungseinrichtungen, Platten und anderer Komponenten, wie es in der Technik gut bekannt ist, aneinander geklebt werden, die Komplexität des Aufbaus des Membranbefeuchters 1210 sowie dessen Gewicht minimiert. Durch Minimierung des Gewichts des Membranbefeuchters 1210 ist die thermische Masse des Membranbefeuchters 1210 minimiert, wodurch der Wirkungsgrad des Membranbefeuchters 1210 erhöht und dessen Aufwärmzeit verringert wird. Wie in 12 gezeigt ist, sind die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 1248, 1254 derart angepasst, um die Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232 während der Kompression des Membranbefeuchters 1210 zu stützen, während auch die Strömung von trockenem Fluid durch die darin geformten Öffnungen unterstützt wird. Die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 1248, 1254 sind derart angepasst, um die Membranschichten 1222, 1224, 1228, 1232, die die Strömungskanäle 1218, 1218' bilden, zu stützen, um deren Verformung während der Kompression entgegenzuwirken. Die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 56, 58 sind derart angepasst, um die Membranschichten 1224, 1228, 1232, 1236 während der Kompression des Membranbefeuchters 1210 zu stützen, während auch die Strömung von feuchtem Fluid durch die darin geformten Öffnungen unterstützt wird. Die mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäbe 56, 58 sind derart angepasst, um die Membranschichten 1224, 1228, 1232, 1236, die die Strömungskanäle 1216, 1216' bilden, zu stützen, um deren Verformung während der Kompression entgegenzuwirken.
Im Betrieb wird ein trockenes Fluid durch die in den mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 1248, 1254 geformten Öffnungen, durch die in der trockenen Seite 1214 geformten Strömungskanäle 1218, 1218', durch die in den verbleibenden, mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 1248, 1254 geformten Öffnungen und dann zu einer Komponente des Brennstoffzellensystems getrieben, wie einer Liefersammelleitung (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels. Das trockene Fluid wird von einer Versorgung für trockenes Fluid aufgenommen. Es kann ein beliebiges herkömmliches Mittel dazu verwendet werden, das trockene Fluid an die Strömungskanäle 1218, 1218' zu liefern, wie beispielsweise ein Kompressor in Verbindung damit. Ein feuchtes Fluid wird durch die Öffnungen, die in den mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 56, 58 geformt sind, durch die in der feuchten Seite 1212 geformten Strömungskanäle 1216, 1216', durch die in den verbleibenden, mit Durchbrechungen versehenen Dichtstäben 56, 58 geformten Öffnungen und dann an den Austrag getrieben.

Claims

Membranbefeuchteranordnung (1210) für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine erste im Wesentlichen planare Membranschicht (1222); eine zweite im Wesentlichen planare Membranschicht (1224), die von der ersten Membranschicht (1222) beabstandet ist; eine dritte im Wesentlichen planare Membranschicht (1228), die von der zweiten Membranschicht (1224) beabstandet ist; erste Strömungskanäle (1218) für trockenes Gas, die durch ein erstes Paar beabstandeter Dichtstäbe (1220), die zwischen der ersten Membranschicht (1222) und der zweiten Membranschicht (1224) benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, und ein erstes Paar beabstandeter, mit Durchbrechungen versehener Dichtstäbe (1248), die zwischen dem ersten Paar beabstandeter Dichtstäbe (1220) angeordnet sind, geformt sind; zweite Strömungskanäle (1216) für feuchtes Gas, die durch ein zweites Paar beabstandeter Dichtstäbe (1226), die zwischen der zweiten Membranschicht (1224) und der dritten Membranschicht (1228) benachbart deren Umfangsränder angeordnet sind, und längliche polymere Bänder (68), die zwischen dem zweiten Paar von Dichtstäben (1226) angeordnet sind, geformt sind, wobei die längliche polymere Bänder (68) zwischen benachbarten planaren Elementen (70) angeordnet sind, die an die erste und zweite Membranschicht (1222, 1224) angrenzen.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei der planaren Elemente (70) aus einem Schaum, einer gewellten Metallfolie, einem Sieb oder einem Papier geformt sind.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei mit einem Epoxidharz der B-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid und/oder einem drucksensitiven Klebstoff das erste Paar von Dichtstäben (1220) an die erste Membranschicht (1220) und die zweite Membranschicht (1224) und das zweite Paar von Dichtstäben (1226) an die zweite Membranschicht (1224) und die dritte Membranschicht (1228) geklebt ist.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei die planaren Elemente (70) mit einem Epoxidharz der B-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid und/oder einem drucksensitiven Klebstoff an die zweite und dritte Membranschicht (1224, 1228) geklebt sind.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei die Membranschichten (1220, 1224, 1228) aus Perfluorsulfonsäure bestehen oder eine hydrophile Polymermembran, eine Membranschicht auf Kohlenwasserstoffbasis oder eine Polymerkompositmembran sind.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei das erste Paar von Dichtstäben (12209 und das zweite Paar von Dichtstäben (1226) aus einem Stahl, einem Polymer, Graphit und/oder einem Komposit- bzw. Verbundmaterial geformt sind.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, wobei die ersten Strömungskanäle (2018) im Wesentlichen rechtwinklig zu den zweiten Strömungskanälen (2016) liegen.
Membranbefeuchteranordnung (1210) nach Anspruch 1, ferner mit einem entfernbaren Werkzeug (246), das in den ersten Strömungskanälen (2018) angeordnet und derart angepasst ist, um die erste Membranschicht (1222) und die zweite Membranschicht (1224), die die ersten Strömungskanäle (2018) formen, abzustützen, wobei das Werkzeug (246) der Verformung der ersten Membranschicht (1222) und der zweiten Membranschicht (1224) während einer Kompression der Membranbefeuchteranordnung (2010) entgegenwirkt.