DE102012017142B4

DE102012017142B4 - Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102012017142B4
Application number: DE102012017142.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Fasold; Marcel Mayer; Michael Maier; Michael Wank
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN104584301A; WO2014033051A1; US9806362B2; DE102012017142A1; US20150171445A1

Abstract

Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer Stapeleinheit (8), die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane (9) enthält, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Membrane (9) randseitig von einem Rahmen (10) eingefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (10) von einem Folienverbund mit einer unteren und einer oberen Folie (11, 12) gebildet ist, zwischen denen der Rand jeweils einer Membran (9) eingeklemmt ist, wobei die untere und die obere Folie (11, 12) fest miteinander verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit einer Stapeleinheit, die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane enthält, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Membrane randseitig von einem Rahmen eingefasst sind.
Stand der Technik
Eine derartige Befeuchtungseinrichtung ist aus der EP 1 261 992 B1 bekannt. Die Befeuchtungseinrichtung ist einer Brennstoffzelle zugeordnet und dient dazu, einen Luftstrom mit Feuchtigkeit anzureichern, der anschließend dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, in welchem in einer elektrochemischen Reaktion Strom erzeugt wird. Die Befeuchtungseinrichtung weist eine wasserdampfdurchlässige Membran auf, die zwischen zwei Rahmenteilen eingespannt ist, in welche Strömungsöffnungen für die Zufuhr bzw. Ableitung der Luftströmungen eingebracht sind. Durch die Membran dringen Wassermoleküle vom feuchten zum trockenen Luftstrom, der auf diese Weise mit Feuchtigkeit angereichert und anschließend der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle ist auch aus US 2001/0046616 A1 bekannt, die ebenfalls eine zwischen zwei Rahmenteilen eingespannte Membran offenbart.
Aus der DE 10 2005 038 612 A1 sind beidseitig beschichtete Membranen bekannt, auf die randseitig ein Rahmen aufgebracht ist.
In der DE 10 2009 034 095 A1 ist ein Membranstapel offenbart, wobei randseitig zwischen zwei Membranen ein Paar Dichtstäbe eingebracht ist.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach aufgebaute Befeuchtungseinrichtung anzugeben, mit der ein Luftstrom mit Feuchtigkeit angereichert wird und die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane enthält, welche von einem Rahmen eingefasst sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann Strömungsluft mit Feuchtigkeit angereichert werden. Die Befeuchtungseinrichtung weist zumindest eine Stapeleinheit mit mehreren wasserdampfdurchlässigen Membranen auf, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Membrane sind randseitig von einem Rahmen eingefasst. Bevorzugt ist jeder Membran ein Rahmen bzw. Rahmenteil zugeordnet, wobei die Rahmen bzw. Rahmenteile einschließlich der Membrane aufeinander stapelbar sind und die Stapeleinheit bilden.
Durch die Anreicherung des Luftstromes mit Feuchtigkeit wird ein geforderter Mindestfeuchtigkeitsgehalt erreicht. Die Befeuchtungseinrichtung wird beispielsweise für eine Brennstoffzelle eingesetzt, in der in einer elektrochemischen Reaktion unter Verwendung der mit Feuchtigkeit angereicherten, herangeführten Strömungsluft Strom erzeugt werden kann. Die Membrane der Befeuchtungseinrichtung sind für Wasserdampf durchlässig, nicht jedoch für Luft, so dass durch die Membrane ausschließlich ein Wasseraustausch vom Luftstrom mit höherer Feuchtigkeit zum Luftstrom mit geringerer Feuchtigkeit stattfindet, welcher der Brennstoffzelle als Zuluft zugeführt wird. Die Stapeleinheit kann eine größere Anzahl von derartigen, jeweils in einem Rahmen gehaltenen Membrane aufweisen. Die Befeuchtungseinrichtung kann in einem Gehäuse ggf. mehrere Stapeleinheiten aufnehmen.
Als weitere Verwendungsmöglichkeit kommt beispielsweise ein Einsatz der Befeuchtungseinrichtung für die Anreicherung von Atemluft in geschlossenen Räumen bzw. Kabinen in Betracht, zum Beispiel in Flugzeugen oder in Kraftfahrzeugen. Außerdem kann die Befeuchtungseinrichtung zur Entfeuchtung von Abgasen verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist der Rahmen von einem Folienverbund gebildet, der zwei aufeinanderliegende Folien aufweist, zwischen denen der Rand jeweils einer Membran eingeklemmt ist. Die untere Folie und die obere Folie liegen an der Unterseite bzw. der Oberseite einer Membran in deren Randbereich an und umschließen auf diese Weise den Rand der Membran. Die untere und die obere Folie sind fest miteinander verbunden, wodurch eine auf die Membran wirkende und die Membran haltende Klemmkraft erzeugt wird.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die beiden Folien, welche aufeinanderliegen, auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden können, wohingegen die zwischenliegende, eingeklemmte Membran nicht zwingenderweise mit der oberen oder unteren Folie verbunden werden muss. Grundsätzlich genügt es, dass die Membran ausschließlich über die Klemmkraft zwischen oberer und unterer Folie gehalten ist; eine weitere Verbindung zu einer der Folien ist nicht erforderlich. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit, beispielsweise einen Klebstoff auf den Randbereich der Membran aufbringen zu müssen und hierfür Vorbereitungsmaßnahmen, beispielsweise ein Ätzen des Randbereichs der Membran, durchzuführen.
Die Folien können dagegen auf verschiedene Weisen miteinander verbunden werden. Bevorzugt sind die obere und die untere Folie miteinander verklebt, wobei die Verbindung außerhalb der Membran erfolgt. Als Folien kommen selbstklebende Folien oder sonstige Folien in Betracht, auf die beispielsweise ein Klebstoff aufgebracht wird. Bei den Folien handelt es sich gegebenenfalls um Laminierfolien. Der überstehende Rand der Folien, welcher radial außerhalb der Außenkante der Membran liegt und in dem die beiden Folien miteinander verbunden sind, weist beispielsweise eine Breite von 2 mm auf.
Ein weiterer Vorteil der Ausführung des Rahmens als Folienverbund liegt in der verhältnismäßig geringen Dicke. Dies ermöglicht es, Stapeleinheiten mit mehreren Membranen mit zueinander geringem Abstand aufzubauen.
In einer von den Ansprüchen nicht umfassten alternativen Ausgestaltung ist der Rahmen, welcher jeweils eine Membran einfasst, von einem Garn gebildet, das in den Randbereich der Membran eingenäht ist. Durch das Vernähen wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Garn und dem Randbereich der Membran erzielt.
Die Ausführung des Rahmens als Garn, welches im Randbereich mit der Membran vernäht wird, hat den Vorteil, dass verschiedene Gestaltungen im Randbereich möglich sind. Des Weiteren ist kein zusätzlicher Klebstoff für das Herstellen des Rahmens erforderlich. Außerdem wird beim Herstellen des Rahmens ein nicht weiter verwendbarer Überschuss an Rahmenmaterial vermieden. Schließlich können mittels des Vernähens auch innerhalb des umlaufenden Rahmens mit Abstand zum Randbereich Nähte in die Membran eingebracht werden, beispielsweise zum Umsäumen und Stabilisieren von Aussparungen in den Membranen, durch die zum Beispiel Rohre oder dergleichen hindurchgeführt werden.
Es können grundsätzlich verschiedene Nahttypen im Randbereich der Membran erzeugt werden. In Betracht kommen beispielsweise eine Zickzacknaht, eine Naht mit Overlock-Stich etc. Es kann vorteilhaft sein, im Randbereich eine verhältnismäßig große Menge an Garnmaterial einzusetzen, um die gewünschte Stabilisierung der Membran in dessen Randbereich zu bewirken.
Vorteilhaft ist des Weiteren, dass die Dicke des Rahmens verhältnismäßig gering ist, so dass in der Stapeleinheit Membrane in einem entsprechend geringen Abstand zueinander angeordnet werden können.
Ein weiterer Vorteil des Vernähens im Randbereich liegt darin, dass auf dem Randbereich der Membran kein Klebstoff aufgetragen werden muss und entsprechend auch keine Vorbehandlung, beispielsweise durch Ätzen, erforderlich ist.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass kein oder nur ein geringfügig über den Randbereich der Membran überstehender Rahmen erzeugt wird, so dass die Stapeleinheit durch das Herstellen des Rahmens in der Ebene der Membran nicht oder zumindest nicht wesentlich vergrößert wird.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung besteht das Garn aus einem thermoplastischen Werkstoff und wird nach Einnähen in den Randbereich der Membran durch Wärmezufuhr und unter Druck thermoplastisch umgeformt. Durch den thermoplastischen Umformprozess wird eine folienähnliche Oberfläche im Randbereich erreicht, außerdem werden Einstichlöcher, welche durch das Nähen im Randbereich der Membran entstehen, versiegelt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird ein Zusatzfaden bzw. ein Zusatzband auf den Randbereich der Membran aufgebracht und von dem Garn umnäht. Auf diese Weise wird der Materialauftrag im Randbereich der Membran zum Bilden des Rahmens erhöht und die Stabilität des Randbereichs verbessert. Es können eine oder mehrere Zusatzfäden auf einer der Seiten des Randbereichs oder auf beiden Seiten angeordnet werden. Der Zusatzfaden bzw. das Zusatzband ist zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem thermoplastischen Werkstoff hergestellt, so dass nach dem Vernähen mit dem thermoplastischen Garn ein thermoplastisches Umformen stattfinden kann, welches auch den Zusatzfaden bzw. das Zusatzband umfasst.
Das thermoplastische Umformen kann mit einem Verpressen des Garns bzw. auch des gegebenenfalls vorhandenen Zusatzfadens oder des Zusatzbandes einhergehen. Auf diese Weise wird eine geglättete Oberfläche des Rahmens erzeugt, außerdem ist die Dicke vereinheitlicht.
Erfindungsgemäß sind gegebenenfalls mehrere unmittelbar aufeinanderliegende Membrane in jeweils einem Rahmenteil befestigt, von denen die mittlere, zwischenliegende Membran eine Funktionsmembran und die äußeren Membrane jeweils eine Deckmembran bilden. Der Verbund aus den mehreren, aufeinanderliegenden Membranen ist im jeweils zugeordneten Rahmen bzw. Rahmenteil fixiert. Im Falle einer Ausführung des Rahmens als Folienverbund mit einer unteren und einer oberen Folie, zwischen denen der Randbereich des Membranverbunds festgeklemmt ist, sind Fehlluftströme über die Außenkante der Membrane sowie Fehlluftströme zwischen den Membranen eines Membranverbunds ausgeschlossen. Gleiches gilt für die von den Ansprüchen nicht umfasste Ausführung der Befeuchtungseinrichtung mit einem von einem Garn gebildeten Rahmen, wobei das Garn den Randbereich sämtlich aufeinanderliegender Membrane vernäht.
Vorteilhafterweise ist jede Membran bzw. jeder Membranverbund in der Stapeleinheit von jeweils einem Rahmen bzw. einem Rahmenteil eingefasst. Aufeinanderliegende Rahmen und Membrane sind über Abstandselemente voneinander separiert, die im Bereich der Rahmen als umlaufende Klebstoffraupe ausgeführt sein kann, welche zum einen benachbarte Rahmen miteinander verbindet und zum andern die Funktion einer Dichtmasse übernimmt und den Strömungsraum zwischen benachbarten Membranen strömungsdicht verschließt. Des Weiteren können Kunststoff-Abstandselemente zwischen beabstandeten Membranen vorgesehen sein. Als Kunststoff-Abstandselement kann auch ein Klebeband Verwendung finden.
Die Stapeleinheit ist zweckmäßigerweise in ein Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung eingesetzt. Gegebenenfalls können mehrere Stapeleinheiten, die jeweils mehrere Rahmen und Membrane enthalten, in das Gehäuse eingesetzt sein.
Figurenliste
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen.

1 eine Draufsicht auf eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem Gehäuse, in das eine Stapeleinheit mit mehreren aufeinandergestapelten, wasserdampfdurchlässigen Membranen aufgenommen ist,
2 eine Membran, welche von einem Rahmen eingefasst ist, in Draufsicht,
3 die Membran mit seitlichem Rahmen im Schnitt,
4 eine Stapeleinheit mit zwei übereinanderliegenden Membranen,
5 eine Membran mit einem Rahmen in einer alternativen nicht von der vorliegenden Erfindung umfassten Ausführung,
6 die Membran mit Rahmen im Schnitt,
7 eine Stapeleinheit mit zwei aufeinandergesetzten Membranen einschließlich einfassendem Rahmen.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine Befeuchtungseinrichtung 1 für eine Brennstoffzelle dargestellt, über die der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit angereicherte Frischluft, welche eine Mindestfeuchte aufweist, zugeführt wird. Die Befeuchtungseinrichtung 1 weist in einem Gehäuse 2 eine austauschbar eingesetzte Kartusche 3 auf, welche dazu dient, die in einem Abgasstrom enthaltene Feuchtigkeit auf einen trockenen Frischluftstrom zu übertragen, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kartusche 3 weist eine Stapeleinheit mit einer Mehrzahl übereinandergestapelter, wasserdurchlässiger Membrane auf.
Das Gehäuse 2 der Befeuchtungseinrichtung 1 ist mit einem Zuluft- bzw. Frischluftkanal 4 versehen, über den Umgebungsluft als Frischluft herangeführt wird. Der Zuluftkanal 4 umfasst einen Zufuhrabschnitt 4a stromauf der Kartusche 3 sowie einen Ableitungsabschnitt 4b stromab der Kartusche.
In einem 90°-Winkel versetzt zum Zuluftkanal 4 ist das Gehäuse 2 mit einem Abluftkanal 5 versehen, über den Abluft der Brennstoffzelle, welche mit Feuchtigkeit angereichert ist, durch die Kartusche hindurchgeführt werden. Der Abgasluft 5 weist einen Zufuhrabschnitt 5a stromauf der Kartusche 3 und einen Ableitungsabschnitt 5b stromab der Kartusche auf.
Der Zuluftstrom 6 und der Abluftstrom 7 kreuzen sich entsprechend der Ausrichtung der Kanäle 4 und 5 in einem 90°-Winkel, jedoch sind die Luftströme 6 und 7 innerhalb der Kartusche 3 von den wasserdurchlässigen Membranen separiert, die lediglich einen Wasseraustausch von dem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Abluftstrom 7 auf den trockenen Zuluftstrom 6 erlauben.
In den 2 bis 4 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel und in den 5 bis 7 ein zweites von den vorliegenden Ansprüchen nicht umfasstes Ausführungsbeispiel für eine wasserdurchlässige Membran dargestellt, die von einem Rahmen eingefasst ist, wobei die Membran und der Rahmen Bestandteil einer Stapeleinheit sind, in welcher mehrere Membrane einschließlich ihrer Rahmen übereinanderliegend gestapelt sind.
Im Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den 2 bis 4 besteht der Rahmen 10, welcher die Membran 9 randseitig umschließend einfasst, aus zwei parallelen Folien 11 und 12 (3, 4), die miteinander verklebt sind und den Randbereich der Membran 9 zwischen sich festklemmen. Darüber hinaus ist die Membran 9 nicht mit den Folien 11, 12 verbunden, insbesondere nicht mit den Folien verklebt. Die Folien werden, wie der Draufsicht gemäß 2 zu entnehmen, zu einem umlaufenden Rahmen zurechtgeschnitten, wobei der äußere Rand der Folien 11, 12 über den Randbereich der Membran 9 hinausreicht. Die Verklebung der oberen Folie 11 mit der unteren Folie 12 erfolgt ausschließlich in dem außerhalb des Randbereichs der Membran 9 liegenden Abschnitt.
Die Membran 9 kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Bei mehrlagiger Ausführung handelt es sich beispielsweise um drei unmittelbar aufeinanderliegende Membrane, von denen die mittlere Membran eine Funktionsmembran und die äußeren jeweils eine Deckmembran bilden. Auch bei mehrlagiger Ausführung sind die Membrane in ihrem Randbereich von den beiden Folien 11, 12 eingeklemmt.
In 4 ist eine Stapeleinheit 8 mit beispielhaft zwei aufeinandergestapelten Membranen 9 dargestellt, die jeweils ein- oder mehrlagig ausgeführt sein können und jeweils von einem umlaufenden Rahmen eingefasst sind, der aus einer oberen und einer unteren Folie 11, 12 besteht. Um die Membrane 9 auf Abstand zu halten, sind die Rahmen verschiedener Membrane 9 über eine Klebstoffmasse 13 randseitig miteinander verbunden, wobei die Klebstoffmasse 13 zusätzlich die Funktion einer Dichtung übernimmt. Außerdem sind Kunststoff-Abstandselemente 14 zwischen den Membranen 9 angeordnet. Die Kunststoff-Abstandselemente 14 können zusätzlich oder alternativ im Randbereich zwischen den Rahmen angeordnet sein, welche von den aufeinanderliegenden, miteinander verbundenen Folien 11 und 12 gebildet werden.
In den 5 bis 7 ist ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine ein- oder mehrlagige Membran 9 von einem randseitig umlaufenden Rahmen 10 eingefasst ist. Der Rahmen 10 ist, wie der Schnittdarstellung gemäß 6 zu entnehmen, von einem Garn 15 gebildet, der im Randbereich mit der Membran 9 vernäht ist. Zusätzlich zu dem Garn 15 sind Zusatzfäden 16 an der Oberseite und der Unterseite der Membran im Randbereich angeordnet, welche durch Vernähen mit dem Garn 15 mit der Membran verbunden sind. Die Zusatzfäden 16 erstrecken sich zweckmäßigerweise in Umfangsrichtung entlang des Randes sowohl auf der Oberseite als auf der Unterseite der Membran 9. Es können mehrere, parallel verlaufende Zusatzfäden 16 im Randbereich angeordnet sein.
Sowohl das Garn 15 als auch die Zusatzfäden 16 bestehen aus einem thermoplastischen Material. Nach dem Vernähen des Garns 15 mit der Membran 9 werden sowohl das Garn 15 als auch die Zusatzfäden 16 durch Erzeugen von Druck und Wärme thermoplastisch umgeformt, wodurch eine folienartige Oberfläche bzw. Struktur des Rahmens 10 erreicht wird, so wie dies in 7 dargestellt ist. Durch das thermoplastische Umformen werden Nahtlöcher, welche beim Vernähen mit dem Garn 15 in der Membran 9 entstehen, versiegelt. Außerdem wird eine Vereinheitlichung der Oberflächenstruktur sowie der Dicke des Rahmens 10 erreicht.
Nach dem thermoplastischen Umformen des Rahmens 10 kann durch Aufeinanderstapeln mehrerer Membrane 9 einschließlich der jeweiligen Rahmen 10 die in 7 dargestellte Stapeleinheit 8 erzeugt werden. Die Rahmen 10 sind über eine zwischenliegende Klebstoffmasse 13 miteinander verbunden, die den Innenraum strömungsdicht separiert und außerdem als Abstandselement zwischen den aufeinanderliegenden Rahmen 10 dient. Zusätzlich können Kunststoff-Abstandselemente 14 zwischen parallelen Membranen 9 vorgesehen sein, wobei die Abstandselemente 14 zusätzlich oder alternativ auch im Randbereich zwischen den Rahmen 10 angeordnet sein können.

Claims

Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer Stapeleinheit (8), die mehrere wasserdampfdurchlässige Membrane (9) enthält, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Membrane (9) randseitig von einem Rahmen (10) eingefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (10) von einem Folienverbund mit einer unteren und einer oberen Folie (11, 12) gebildet ist, zwischen denen der Rand jeweils einer Membran (9) eingeklemmt ist, wobei die untere und die obere Folie (11, 12) fest miteinander verbunden sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere und die obere Folie (11, 12) miteinander verklebt sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (9) ausschließlich durch Klemmen zwischen der unteren und der oberen Folie (11, 12) gehalten ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei unmittelbar aufeinanderliegende Membrane (9) im Rahmen (10) gehalten sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Membran (9) in der Stapeleinheit (8) von jeweils einem Rahmen (10) eingefasst ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel liegende Rahmen (10) bzw. Membrane (9) über Abstandselemente (14) voneinander separiert sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen parallelen Rahmen (10) eine Klebstoffraupe als Abstandselement (14) angeordnet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kunststoff-Abstandselemente (14) zwischen parallelen Rahmen (10) bzw. Membranen (9) angeordnet sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (1) ein Gehäuse (2) aufweist, in das mindestens eine Stapeleinheit (8) einsetzbar ist.
Brennstoffzelle mit einer Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.