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Die Erfindung betrifft eine Adaptereinrichtung für einen Fluid-zu-Fluid-Tauscher in einem Brennstoffzellensystem, wobei der Fluid-zu-Fluid-Tauscher eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, deren Endöffnungen an einer Kopplungsseite des Fluid-zu-Fluid-Tauschers geöffnet sind, wobei die Adaptereinrichtung eine Vielzahl von Kopplungsöffnungen aufweist, die korrespondierend zu den Endöffnungen verteilt sind, so dass in einem montierten Zustand auf dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher einer Kopplungsöffnung der Adaptereinrichtung mindestens oder genau eine Endöffnung des Fluid-zu-Fluid-Tauschers zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung mit dieser Adaptereinrichtung sowie ein Brennstoffzellensystem mit der Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung und/oder der Adaptereinrichtung.
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Bei Brennstoffzellensystemen müssen die Arbeitsgase vor der Zuleitung in die Brennstoffzellen konditioniert werden. Oftmals sind für diesen Zweck in den Kathoden- oder Anodengasversorgungssystemen Wärmetauscher oder sogenannte Gas-zu-Gas-Befeuchter vorgesehen, welche den Arbeitsgasen – je nach Position – Wärme bzw. Feuchtigkeit zuführen oder entziehen.
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Aus der
US 20020155328 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befeuchten von Arbeitsgasen für eine Brennstoffzelle beschrieben. In dieser Druckschrift ist auch erwähnt, dass die Befeuchtung der Arbeitsgase über den Einsatz von Befeuchtern mit Monolithen umgesetzt sein kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Adaptereinrichtung für einen Fluid-zu-Fluid-Tauscher in einem Brennstoffzellensystem, eine Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung sowie ein Brennstoffzellensystem mit der Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Adaptereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß wird eine Adaptereinrichtung vorgestellt, welche für einen Fluid-zu-Fluid-Tauscher geeignet und/oder ausgebildet ist. Der Fluid-zu-Fluid-Tauscher ist insbesondere dazu geeignet, Wärme und/oder Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, oder andere Stoffe, zwischen zwei Fluiden zu tauschen. Der Tausch erfolgt im Hinblick auf die Wärme vorzugsweise durch Wärmeleitung und im Hinblick auf die Feuchtigkeit durch Transport von einem Fluid zu dem nächsten Fluid, insbesondere durch einen porösen und/oder permeablen Bereich. Bei den Fluiden kann es sich um Gase, Flüssigkeiten oder Mischformen davon handeln. Insbesondere dient der Fluid-zu-Fluid-Tauscher in einem Brennstoffzellensystem zur Übertragung von Feuchtigkeit z. B. von Abgasen aus dem Brennstoffzellensystem auf den zugeführten Oxidanten, insbesondere Umgebungsluft, oder den Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, für das Brennstoffzellensystem.
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Die Adaptereinrichtung kann an dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher an einer Eingangsseite oder an einer Ausgangsseite angeordnet sein oder sogar ein Kopplungselement zwischen zwei Fluid-zu-Fluid-Tauschern bilden.
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Insbesondere ist die Adaptereinrichtung geeignet und/oder ausgebildet, die Fluide der Strömungskanäle eines Fluids in einem gemeinsamen Bereich zusammen zu führen und die Fluide der Strömungskanäle eines anderen Fluids in einem anderen Bereich zusammen zu führen, so dass die beiden Fluide strömungstechnisch separiert weiter geführt werden können.
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Es hat sich nämlich als vorteilhaft erwiesen, dass der Oxidant (Oxidationsmittel) oder der Brennstoff vor der Zuführung in das Brennstoffzellensystem konditioniert, insbesondere erwärmt und/oder befeuchtet wird. Hierzu wird in vorteilhafter Weise das Abgas aus dem Brennstoffzellensystem verwendet, welches zum einen aufgewärmt und zum anderen einen höheren Feuchtigkeitsgrad als der eingehende Oxidant bzw. Brennstoff aufweist.
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Der Fluid-zu-Fluid-Tauscher weist eine Vielzahl von Strömungskanälen auf, welche für einen Transport der Fluiden ausgebildet sind. Der Übertrag von Wärme und/oder Feuchtigkeit erfolgt durch die Strömungskanalwände von einem Strömungskanal eines ersten Fluids in einen Strömungskanal eines zweiten Fluids. Beispielsweise sind die Strömungskanalwände und/oder der Fluid-zu-Fluid-Tauscher aus einer Keramik, insbesondere aus einer porösen Keramik, gefertigt. Die Strömungskanäle sind endseitig geöffnet, so dass Endöffnungen gebildet sind, welche an mindestens oder genau einer Kopplungsseite des Fluid-zu-Fluid-Tauschers geöffnet sind.
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Die Adaptereinrichtung weist eine Vielzahl von Kopplungsöffnungen auf, die korrespondierend zu den Endöffnungen verteilt sind, derart, dass in einem montierten Zustand der Adaptereinrichtung auf den Fluid-zu-Fluid-Tauscher (entweder unmittelbar oder gegebenenfalls mit möglichen Zwischenelementen) eine Kopplungsöffnung der Adaptereinrichtung mindestens oder genau eine Endöffnung des Fluid-zu-Fluid-Tauschers zugeordnet ist. Vorzugsweise gilt diese Regel für einige, den großen Teil oder alle der Endöffnungen und/oder Kopplungsöffnungen.
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Es hat sich nämlich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, um die Stoff- bzw. Wärmeübertragungsfläche in dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher zu optimieren, wenn die Anströmung der beiden Fluide in den Strömungskanälen alternierend erfolgt. Das bedeutet, dass sich in unmittelbarer Nachbarschaft eines mit einem Fluid A durchströmten Strömungskanals ausschließlich Strömungskanäle befinden, die von einem anderen Fluid B durchströmt werden, wobei der Wärme- und/oder Feuchtigkeitsübertrag von einem Fluid auf das andere Fluid erfolgen soll. Mögliche Ausführungsformen für die Strömungskanäle im Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung sind z. B. drei-, sechs-, achteckige, runde oder quadratische Öffnungsquerschnitte. In dem Fall der dreieckigen und quadratischen Öffnungsquerschnitte kann der Stoff- und/oder Wärmetransport über alle drei bzw. vier Kanalwände erfolgen. Im Fall des sechseckigen Öffnungsquerschnitts kann ein Stoff- und/oder Wärmetransport über vier Flächen stattfinden. Insgesamt ist es besonders vorteilhaft, wenn die Adaptereinrichtung so ausgebildet ist, dass jedem Strömungskanal genau eine Kopplungsöffnung der Adaptereinrichtung zugeordnet ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können z. B. bei einer quadratischen Querschnittsfläche der Strömungskanäle die Endöffnungen spaltenweise oder zeilenweise angeströmt werden, wobei dies jedoch die Übertragungsfläche von den Strömungskanälen zu den Strömungskanälen um den Faktor 2 im Vergleich zu der besonders bevorzugten Ausführungsform verkleinert. Im Betrieb kann die Anströmung der Fluide in den Strömungskanälen im Gleich- oder Gegenstrom erfolgen, wobei sich das Gegenstromprinzip, also dass die Fluide unterschiedlicher Arten gegenläufig in den Strömungskanälen bewegt werden, als effektiver erwiesen hat. Das Gleichstromprinzip kann dagegen hinsichtlich der Einbauanforderungen einfacher sein, alle Zuleitungen gruppiert und alle Ableitungen ebenfalls gruppiert sein können.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Adaptereinrichtung eine Mehrzahl von Platten aufweist, die gemeinsam einen Plattenstapel bilden. Bei den Platten kann es sich um gleichartige oder verschiedenartige Platten handeln. Die Platten sind konstruktiv so ausgeführt, dass die Kopplungsöffnungen an einer Stirnseite des Plattenstapels angeordnet sind, die durch die freien Seitenflächen der Platten gebildet ist. Alternativ oder ergänzend ausgedrückt befinden sich die Kopplungsöffnungen auf der Stirnseite, die im Flächenverlauf gleichgerichtet und/oder parallel zu der Stapelrichtung der Adaptereinrichtung ausgerichtet ist.
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Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Adaptereinrichtung mit sehr filigranen Kopplungsöffnungsstrukturen gebildet werden kann, welche jedoch fertigungstechnisch durch die Bearbeitung der einzelnen Platten prozesssicher und kostengünstig hergestellt werden kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Strömungskanäle bei bevorzugten Ausführungsformen einen freien Öffnungsdurchmesser im Millimeterbereich oder darunter, also kleiner als 2 mm, vorzugsweise kleiner als 1 mm, aufweisen und die Stärke der Zwischenwände zwischen den Strömungskanälen bei bevorzugten Ausführungsformen kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,3 mm und insbesondere im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,3 mm sind. Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Adaptereinrichtung kann eine Einzelkanalanströmung oder eine Zeilenanströmung realisiert werden, die eine optimierte Flächennutzung der Fluid-zu-Fluid-Tauscher gewährleistet und zugleich fertigungstechnisch beherrschbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Kopplungsöffnungen durch Ausgangsöffnungen von auf den Platten verlaufenden Verteilungsnuten gebildet. Die Verteilungsnuten können dabei einen einfachen rechteckigen Querschnitt haben oder können in der Form an die Form der Strömungskanäle angepasst sein und/oder strömungstechnisch optimiert sein. Insbesondere können die Verteilungsnuten zumindest im Ausgangsbereich an den Kopplungsöffnungen einen halbrunden, dreieckigen, mehreckigen oder ähnlichen Querschnitt aufweisen.
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Die Verteilungsnuten können in einfacher Weise in die Platten, zum Beispiel über abtragende Verfahren, insbesondere mechanische oder chemische Verfahren, oder Umformverfahren, wie z. B. Prägen, eingebracht werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Verteilungsnuten einer Platte auf der Platte angeordnet und/oder strömungstechnisch miteinander verbunden, so dass diese gemeinsam eine Verteilungsstruktur bilden. Die Verteilungsstrukturen können insbesondere geätzt, gefräst oder geprägt werden.
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Der Vorteil der strömungstechnisch verbundenen Verteilungsnuten liegt auch darin, dass die Fluidströmungen der Strömungskanäle eines Fluids miteinander vermischt werden, so dass zum Beispiel bei dem Einsatz der Adaptereinrichtung als Zwischenelement zwischen zwei Fluid-zu-Fluid-Tauschern ein Druckausgleich zwischen den Strömungskanälen herbeigeführt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Gruppe von Kopplungsöffnungen und/oder Verteilungsstrukturen einem ersten Fluid und eine andere Gruppe von Kopplungsöffnungen und/oder Verteilungsstrukturen einem zweiten, anderen Fluid zugeordnet. Diese Ausbildung unterstreicht nochmals die Anwendung der Erfindung, die darin liegt, Feuchtigkeit – oder allgemeiner Stoff – und/oder Wärme zwischen den zwei Fluiden zu tauschen.
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Bei konstruktiven Ausführungsformen sind die Verteilungsstrukturen nur einseitig oder beidseitig auf den Platten angeordnet. Hierbei sind mögliche Ausführungsformen ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit wie folgt zu unterscheiden:
Soweit die Verteilungsstrukturen nur einseitig auf den Platten angeordnet sind, werden bei einer möglichen Ausführungsart zwei verschiedene Plattenarten eingesetzt, wobei die eine Plattenart die Kopplungsöffnung für das eine Fluid und die andere Plattenart die Kopplungsöffnung für das andere Fluid bereit stellt. Die jeweils unbearbeiteten Seiten der Platten bilden die Abdeckungen für die Verteilungsstrukturen des anderen Fluids.
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Es ist auch möglich, Verteilungsstrukturen beidseitig auf den Platten anzuordnen, wobei dann die Platten voneinander durch Dichtungslagen getrennt sind. Hierbei bilden die Dichtungslagen die Begrenzungen für die Verteilungsstrukturen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Verteilungsstrukturen beidseitig auf den Platten angeordnet, wobei mindestens zwei verschiedene Plattenarten vorgesehen sind und die Platten unmittelbar, insbesondere ohne zwischenliegende Dichtungsschichten, aufeinander liegen.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind die Kopplungsöffnungen und/oder die Verteilungsstrukturen zu mindestens einer anderen Seite als der Stirnseite mit den Endöffnungen geöffnet, um eine strömungstechnische Ankopplung der Adaptereinrichtung zu ermöglichen. Vorzugsweise liegen die Öffnungen in der gleichen Ebene, bezogen auf die Stapelrichtung wie die Kopplungsöffnungen. Dabei wird bevorzugt beansprucht, dass die andere Seite für das erste Fluid separat zu der anderen Seite für das zweite Fluid angeordnet ist. Mit dieser Weiterbildung werden somit über die Adaptereinrichtung die Strömungskanäle so verlängert, dass das erste Fluid zu einem ersten räumlichen Bereich geführt wird und das zweite Fluid zu einem zweiten räumlichen Bereich geführt wird, wobei die beiden räumlichen Bereiche voneinander separiert sind und dadurch in einfacher Weise strömungstechnisch angeschlossen werden können.
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Bei einer anderen möglichen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass Verteilungsstrukturen von unterschiedlichen Platten, die jeweils nur einem der beiden Fluide zugeordnet sind, durch Verbindungsöffnungen in den Platten strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Vorzugsweise weist die Adaptereinrichtung einen Sammelanschluss für das erste Fluid und einen weiteren Sammelanschluss für das zweite Fluid auf. Beispielsweise können die Verbindungsöffnungen als Durchgangsöffnungen in Stapelrichtung durch den Plattenstapel ausgebildet sein, welche die Verteilungsstrukturen miteinander verbinden. In der Nomenklatur der Brennstoffzellentechnik können die Verteilungsstrukturen auch als flow field und die Verbindungsöffnungen als ports bezeichnet werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9, welche für ein Brennstoffzellensystem geeignet und/oder ausgebildet ist und welche den Fluid-zu-Fluid-Tauscher und die Adaptereinrichtung aufweist, wie sie soeben beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fluid-zu-Fluid-Tauscher mindestens ein Keramikteil umfasst, in dem die Strömungskanäle ausgebildet sind.
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Insbesondere ist der Fluid-zu-Fluid-Tauscher als mindestens ein sogenannter Monolith ausgebildet, also als einstückiger Keramikkörper vorzugsweise mit Wabenstruktur zur Ausbildung der Strömungskanäle. Ein derartiger Monolith weist vorzugsweise eine Wandstärke von 0,1 bis 0,3 mm auf, wobei die Strömungskanäle einen Querschnitt bzw. eine Seitenlänge im Millimeterbereich oder darunter zeigen.
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Bei bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung sind die Endöffnungen in dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher in Zeilen angeordnet, wobei die Stapelrichtung in einer Ebene parallel zu der Stirnseite parallel bzw. rechtwinklig oder – bei anderen Ausführungsformen – in einem freien Winkel zu der Längserstreckung der Zeilen angeordnet ist. Bei einer parallelen oder rechtwinkligen Ausrichtung ist es bei vielen Ausführungsformen notwendig, dass zweiseitig bearbeitete Platten verwendet werden, so dass hier gegebenenfalls der Fertigungsaufwand höher ist. Dagegen ist die Montage der Adaptereinrichtung auf dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher vereinfacht. Dagegen können bei einem freien Winkel, insbesondere bei einem 30°-, 35°- oder 45°-Winkel, einseitig bearbeitete Platten verwendet werden, jedoch erscheint der Aufwand für die Montage höher.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Mobil, im Speziellen für ein Automobil für den Straßenverkehr, wobei das Brennstoffzellensystem zur Erzeugung der Antriebsenergie geeignet und/oder ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem weist die Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung und/oder die Adaptereinrichtung auf, wie sie zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung ist so integriert, dass diese Stoff, insbesondere Feuchtigkeit und/oder Wasser, und/oder Wärme von abgeführten Abgasen aus dem Brennstoffzellensystem auf einen zugeführten Oxidanten, insbesondere Umgebungsluft, oder den Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, überträgt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung eines Brennstoffzellensystems als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a–c Detailansichten und mögliche Varianten des Brennstoffzellensystems in der 1;
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3a–f verschiedene Varianten von Fluid-zu-Fluid-Tauschern in der 1 in einer schematischen Querschnittsdarstellung;
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4a–f die verschiedene Varianten von Fluid-zu-Fluid-Tauschern in den vorhergehenden Figuren in Draufsicht mit aufgesetzter Adaptereinrichtung (stark schematisiert);
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5a, b zwei schematische Ansichten von Platten in der Adaptereinrichtung in den vorhergehenden Figuren;
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6a–f verschiedene Alternativen zu den Platten in den vorhergehenden Figuren in gleicher Darstellung;
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7 in gleicher Darstellung wie in den 4a–f eine weitere Variante der Erfindung;
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8a, b in gleicher Darstellung wie in den 5 und 6 eine weitere Variante für die Platten, wie diese in dem Ausführungsbeispiel in der 7 einsetzbar ist.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind jeweils mit einander entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Blockdarstellung ein Brennstoffzellensystem 1 für ein Kraftfahrzeug für den Straßenverkehr zur Erzeugung von Antriebsenergie. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 2, sowie eine Gasversorgungseinrichtung 3 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 2 mit einem Oxidanten oder bei einem anderen Anwendungsfall mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff. Bei der Gasversorgungseinrichtung 3 wird bei dem gezeigten Beispiel ein Oxidant über eine Zuleitung 4 dem Brennstoffzellenstapel zugeleitet und Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 2 über eine Ableitung 5 abgeleitet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass der über die Zuleitung 4 zugeleitete Oxidant zum einen befeuchtet und zum anderen erwärmt wird. Um diesen Vorgang energetisch günstig auszubilden, wird die Befeuchtung sowie die Erwärmung über eine Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung 6 umgesetzt, welche den Stoff- bzw. Wärmetransport umsetzt.
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Die 2a zeigt die Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung 6 schematisch vergrößert, wobei nur der den Brennstoffzellenstapel 2 abgewandte Abschnitt zu erkennen ist. Die Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung 6 umfasst einen Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 und eine Adaptereinrichtung 8, welche den Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 an die Zuleitung 4 bzw. Ableitung 5 koppelt.
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In der 2b ist in ähnlicher Darstellung wie in der 2a gezeigt, dass eine analog aufgebaute Adaptereinrichtung 8 auch auf der dem Brennstoffzellenstapel 2 zugewandten Seite der Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung 6 angeordnet sein kann.
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In der 2c ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung 6 gezeigt, wobei eine erste der Adaptereinrichtung 8 auf der den Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite, eine weitere der Adaptereinrichtungen 8 auf der dem Brennstoffzellenstapel 2 zugewandten Seite und eine weitere Adaptereinrichtung 8 als Kopplungseinrichtung zwischen zwei der Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 angeordnet sind.
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Der oder die Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 ist bzw. sind als monolithische Keramikkörper, also einstückige Keramikkörper ausgebildet, welche beispielsweise aus Zirkonoxid oder Siliziumkarbid gefertigt sind.
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Wie sich aus den 3a bis f ergibt, weisen die Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 eine Vielzahl von Strömungskanälen auf, wobei eine erste Gruppe der Strömungskanäle 10a der Zuleitung 4 und eine zweite Gruppe der Strömungskanäle 10b der Ableitung 5 strömungstechnisch zugeordnet ist. In der graphischen Darstellung sind die Strömungskanäle 10a hellgrau und die Strömungskanäle 10b dunkelgrau dargestellt. Die Zuordnung kann auch genau anders herum erfolgen.
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Die 3a zeigt beispielsweise Strömungskanäle 10a, b in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Strömungskanäle 10a, b, wobei der Öffnungsquerschnitt der Strömungskanäle 10a, b dreieckförmig ist und die Strömungskanäle 10a, b in Zeilen Z angeordnet sind. Die 3b zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der die Strömungskanäle 10a, b einen quadratischen Querschnitt aufweisen. In den 3d und e sind die Querschnitte der Strömungskanäle 10a, b sechseckig bzw. kreisrund ausgebildet, wobei die Strömungskanäle jeweils Zeilen Z bilden, bei denen die Strömungskanäle 10a, b alternierend angeordnet sind. Eine Ausnahme bildet die Ausführungsform in der 3f, bei der die Strömungskanäle 10a, b zwar ebenso wie in der 3b einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben, diese jedoch in Spalten geordnet sind.
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In den 4a bis f sind in ähnlicher Darstellung wie in der 3a bis f die Kopplungsseite 11 gezeigt, an der die Strömungskanäle 10a, b als Endöffnungen 12a, b geöffnet sind. Schematisch angedeutet ist die Adaptereinrichtung 8, welche aus einer Mehrzahl von Platten 13a, b gebildet ist, die in einem Plattenstapel entlang einer Stapelrichtung S aufeinander gestapelt sind. An der dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 zugewandten Stirnseite des Plattenstapels weist die Adaptereinrichtung 8 Kopplungsöffnungen 14a bzw. 14b auf, wobei die Kopplungsöffnungen 14a den Endöffnungen 12a der Strömungskanäle 10a zugeordnet sind und die Kopplungsöffnungen 14b den Endöffnungen 12b der Strömungskanäle 10b zugeordnet sind. Die Zuordnung ist aus graphischen Gründen nur exemplarisch in der 4a angedeutet, wobei die Bezeichnungen gedanklich auf die anderen Figuren zu übertragen sind.
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Wie sich aus den Darstellungen 4a bis e ergibt, schließen Stapelrichtung S und Zeilenrichtung Z einen Winkel alpha ein, welcher in Abhängigkeit des Querschnitts zwischen 20° und 80° beträgt. So beträgt der Winkel alpha in der 4a beispielsweise 30°, in der 4c 35°, in der 4b 45°, in der 4d ebenfalls 45° und in der 4e wieder ca. 35°. Einzig die 4f macht eine Ausnahme, wobei die Platten 13a, b parallel zu den Spalten angeordnet sind.
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In den gezeigten Beispielen 4a bis 4f sind die Kopplungsöffnungen 14a, b strömungstechnisch mit den Endöffnungen 12a, b verbunden, so dass Fluid aus den Strömungskanälen 10a, b in die Adaptereinrichtung 8 weitergeführt wird. Hierbei erfolgt eine Separierung der verschiedenen Fluide, wobei jede Platte 13a, b oder – in Bezug auf spätere Ausführungsbeispiele – jede Plattenseite der Platte 13a, b Strukturen mit Endöffnungen 14a, b aufweist, wobei die Endöffnungen 14a, b nur einem einzigen Fluid zugeordnet sind. In der verwendeten Nomenklatur sind alle Teile oder Bereiche mit der Bezugsziffer Xa einem ersten Fluid A und mit der Bezugsziffer Xb einem zweiten, anderen Fluid B zugeordnet.
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Die 5a, b zeigt eine erste mögliche Ausführungsform für Platten 13a, b jeweils gegen die Stapelrichtung von unten betrachtet sowie eine Seitenansicht dieser Platte 13a bzw. 13b. Die Platte 13a weist in diesem Beispiel vier Kopplungsöffnungen 14a auf, welche in einer Verteilungsstruktur 15a zusammen geführt sind und strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Die Verteilungsstruktur 15a ist als eine Nutenstruktur ausgebildet, die in die Platte 13a eingeprägt, eingeätzt oder anders eingebracht ist. Die Verteilungsstruktur 15a ist strömungstechnisch mit einem Port 16a verbunden, welcher als Durchgangsöffnung in der Platte 13a ausgebildet ist. Daneben befindet sich auf der Platte 13a ein zweiter Port 16b. Die Platte 13b in der 5b ist in diesem speziellen Ausführungsbeispiel spiegelsymmetrisch ausgebildet und weist eine Verteilungsstruktur 15b auf, deren Nuten in Endöffnungen 14b münden und die strömungstechnisch mit dem Port 16b verbunden ist. Der Port 16a ist dagegen nur als Durchgangsöffnung ausgebildet. Legt man die Platten 13a, b alternierend in der Stapelrichtung S übereinander, so werden die Verteilungsstrukturen 15a, b von der Unterseite der jeweils anderen Platte 13b, a wie ein Deckel abgedeckt, so dass sich Kanäle durch die Verteilungsstruktur 15a, b ergeben. Über den Port 16a sind sämtliche Verteilungsstrukturen 15a in der Adaptereinrichtung 8 strömungstechnisch verbunden, über den Port 16b sind sämtliche Verteilungsstrukturen 15b der Adaptereinrichtung 8 strömungstechnisch verbunden, wobei jedoch die Ports 16a, b voneinander strömungstechnisch separiert sind.
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Funktionell betrachtet werden Fluide der Strömungskanäle 10a in die Verteilungsstrukturen 15a geleitet und über den Port 16a abtransportiert, dagegen werden Fluide der Strömungskanäle 10b über die Verteilungsstrukturen 15b gesammelt und in dem Port 16b zusammen gefasst. Die Ports 16a, b bilden jeweils eine strömungstechnische Schnittstelle zum Einkoppeln oder Auskoppeln der jeweiligen, voneinander separierten Fluide.
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Die 6a–f zeigen weitere mögliche Ausführungsformen für Verteilungsstrukturen 15a, b, wobei in einem Plattenstapel zwei unterschiedliche Ausführungsformen als Platten 13a, b untereinander nahezu beliebig kombinierbar sind, wobei jedoch darauf zu achten ist, dass die durchgehenden Ports 16a, b keine Überschneidungen mit den Verteilungsstrukturen der jeweils anderen Platte entstehen lassen. Ggf. müssen noch zusätzliche Ports 16a, b eingebracht werden.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel in der 5a und b die Ports 16a, b die strömungstechnische Schnittstelle bilden, ist bei dem Ausführungsbeispiel in der 6a eine Seite der Platten 13a, b als strömungstechnische Schnittstelle 17a, b mit einzelnen Austrittsöffnungen ausgebildet, wobei die Fluide aus der Verteilungsstruktur 15a, b nach Plattenaustritt bzw. vor Platteneintritt in einer nicht dargestellten Sammeleinheit zusammengeführt werden muss.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in der 6b ist die strömungstechnische Schnittstelle 17a, b auf der rechten Seite angesiedelt. Bei dem Ausführungsbeispiel in der 6c sind zwei Ports 16a, b vorgesehen, bei der Ausführungsform in der 6d ist dagegen ein zentraler Port 16a, b in einer Art Sammelbecken vorgesehen. Die 6e zeigt dagegen eine Mehrzahl von Ports 16a, b, wobei jedem Port 16a, b eine Kopplungsöffnung 14a, b zugeordnet ist. In der 6f ist die strömungstechnische Schnittstelle 17a auf einer den Kopplungsöffnungen 14a gegenüberliegenden Seite angeordnet.
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Die 7a zeigt in einer schematischen Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei bei diesem Beispiel ein Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 mit einer Adaptereinrichtung 8 versehen ist, bei der die Platten 13a, b parallel bzw. senkrecht zur Zeilenrichtung Z ausgerichtet sind. Die Darstellung entspricht den Darstellungen in den 4a–f. Diese Ausgestaltung wird umgesetzt, indem die alternierenden Platten 13a, b jeweils beidseitig Verteilungsstrukturen tragen, wie dies in den 8a, b dargestellt ist. Die 8a zeigt im oberen Teil die Vorderseite einer Platte 13a, welche einen Port 16a aufweist, der mit einer Kopplungsöffnung 14a kommunizierend verbunden ist. Es können in Anlehnung an die Ausführungsformen in der 6a bis f auch weitere und andere Verteilungsstrukturen 15a realisiert sein. Daneben weist die Vorderseite einen Port 16b für das andere Fluid auf. Im unteren Abschnitt der 8a ist die Hinterseite gezeigt, wobei die Ports entsprechend der Oberseite als 16a und 16b bezeichnet sind. An der Hinterseite ist eine Verteilungsstruktur 15b eingebracht, die den Port 16b mit zwei Kopplungsöffnungen 14b verbindet.
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Die zweite Platte 13b in der 8b zeigt auf der Vorderseite den Port 16b, welcher über eine Verteilungsstruktur 15b mit einer Kopplungsöffnung 14b verbunden ist, sowie den Port 16a. Auf der darunter dargestellten Hinterseite ist wieder der Port 16b zu erkennen sowie der Port 16a, der mit der Verteilungsstruktur 15a verbunden ist und in Kopplungsöffnungen 14a endet. Bei einer Stapelung der Platten 13a, b so, dass die Ports 16a bzw. 16b jeweils miteinander strömungstechnisch verbunden sind, ergibt sich ein Plattenstapel, wie er in der 7a dargestellt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Montage der Adaptereinrichtung 8 auf dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7 vereinfacht ist, jedoch ist die Komplexität der Verteilungsstrukturen 15a, b höher.
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Die Adaptereinrichtung 8 kann sowohl direkt an dem Fluid-zu-Fluid-Tauscher 7, insbesondere ausgebildet als Monolithen, durch Verkleben, Löten oder Verpressen befestigt werden. Alternativ kann die Befestigung auch über eine Adapter- und/oder Dichtplatte erfolgen. Die Strömungsquerschnitte der Verteilungsstrukturen 14a, b in den Platten 13a, b sind sowohl in der Form als auch in der Tiefe variabel gestaltbar und können hinsichtlich der Strömung optimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Gasversorgungseinrichtung
- 4
- Zuleitung
- 5
- Ableitung
- 6
- Fluid-zu-Fluid-Tauschervorrichtung
- 7
- Fluid-zu-Fluid-Tauscher
- 8
- Adaptereinrichtung
- 9
- leer
- 10a, b
- Strömungskanäle
- 11
- Kopplungsseite
- 12a, b
- Endöffnungen
- 13a, b
- Platten
- 14a, b
- Kopplungsöffnungen
- 15a, b
- Verteilungsstruktur
- 16a, b
- Port,
- 17a, b
- strömungstechnische Schnittstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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