-
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtereinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche ein Gehäuse aufweist. In dem Gehäuse ist eine Befeuchtungseinheit angeordnet, welche dem Befeuchten eines Reaktionsmediums für einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems dient. Das Gehäuse weist wenigstens einen ersten Anschluss zum Einbringen des zu befeuchtenden Reaktionsmediums und wenigstens einen zweiten Anschluss zum Abführen des befeuchteten Reaktionsmediums auf.
-
Die
DE 10 2004 022 021 A1 beschreibt eine Befeuchtereinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, bei welcher als Befeuchtungseinheit ein Bündel von Hohlfasermembranen vorgesehen ist. Das Bündel ist in einer Hülse zusammengefasst, welche das Handling des Bündels erleichtert, etwa bei dessen Herstellung oder bei einem Austausch desselben. Ein Gehäuse der Befeuchtereinrichtung, in welchem das Bündel aufgenommen ist, weist Anschlüsse auf, welche dem Zuführen und dem Abführen von zu befeuchtenden bzw. befeuchteten Reaktionsgasen dienen. Diese Anschlüsse sind entweder an gegenüberliegenden Seiten oder an derselben Seite einer Mantelfläche des Gehäuses angeordnet, und sie sorgen für eine Durchströmung des Bündels im Kreuzstrom.
-
Das Befeuchten der Reaktionsgase eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere das Befeuchten des Oxidationsmittels sorgt dafür, dass die Protonen leitende Membran einer jeweiligen Brennstoffzelle, welche einen Kathodenraum der Brennstoffzelle von einem Anodenraum abtrennt, vor einer Schädigung durch Austrocknung geschützt wird.
-
Die hierfür vorgesehene Befeuchtereinrichtung ist üblicherweise vergleichsweise großvolumig, damit das Membranmaterial der Befeuchtungseinheit, über welches der Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem zu befeuchtenden Reaktionsmedium und einem die Feuchte bereitstellenden Medium erfolgt, in dem Gehäuse untergebracht werden kann. Zudem muss eine ausreichend gute Strömungsverteilung des Reaktionsmediums beim Umströmen des Membranmaterials sichergestellt sein. Da das Gehäuse der Befeuchtereinrichtung zudem auf einen sehr hohen Betriebsdruck ausgelegt werden muss, ist das Gehäuse in der Regel vergleichsweise schwer, voluminös und teuer.
-
Darüber hinaus unterliegt das Membranmaterial einer Alterung. Folglich wird häufig das Gehäuse überdimensioniert, um es über die Lebensdauer eines Fahrzeugs, in welchem das Brennstoffzellensystem zur Anwendung kommt, hinweg nutzen zu können. Andernfalls muss die Befeuchtereinrichtung insgesamt oder zumindest die Befeuchtungseinheit ausgetauscht werden, etwa im Zuge einer Wartung. Dies ist vergleichsweise aufwändig.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befeuchtereinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche besonders wartungsfreundlich ist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung sind der wenigstens eine erste Anschluss und der wenigstens eine zweite Anschluss an einer ersten von zwei Stirnseiten des Gehäuses angeordnet. Dies erleichtert die Montage der Befeuchtereinrichtung, sie kann also besonders einfach ausgebaut und eingebaut werden. Hierfür ist es nämlich nicht notwendig, den kompletten, die Befeuchtereinrichtung umfassenden Befeuchter des Brennstoffzellensystems auszubauen und wieder einzubauen. Vielmehr ist es ausreichend, lediglich die Befeuchtereinrichtung auszutauschen, welche die Befeuchtungseinheit umfasst. Die Befeuchtereinrichtung ist deswegen besonders wartungsfreundlich, da sämtliche Anschlüsse an derselben Stirnseite angeordnet sind. Dadurch brauchen nicht an unterschiedlichen Stellen der Befeuchtereinrichtung Anschlüsse mit korrespondierenden Anschlüssen bzw. Leitungen verbunden zu werden.
-
Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Überdimensionieren der Befeuchtereinrichtung kann vorliegend entfallen, da die Befeuchtereinrichtung nicht auf die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems ausgelegt zu werden braucht. Insbesondere kann so teures Membranmaterial, welches in der Befeuchtungseinheit vorhanden ist, eingespart werden. Dies senkt die Kosten für die Befeuchtereinrichtung. Des Weiteren kann die Befeuchtereinrichtung besonders klein ausgebildet sein, so dass sie wenig Bauraum beansprucht. Dies ist auch einem verringerten Gewicht der Befeuchtereinrichtung zuträglich, welche sich bei Anwendung der Befeuchtereinrichtung und des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug in einem verringerten Brennstoffverbrauch bemerkbar des Fahrzeugs macht. Auch ergibt sich eine besonders große Flexibilität im Packaging, da es möglich ist, eine Mehrzahl von kleinen, modular bereitstellbaren Befeuchtereinrichtungen für das Brennstoffzellensystem vorzusehen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Stirnseite als Deckel des Gehäuses und die zweite Stirnseite als den wenigstens zwei Anschlüssen gegenüberliegender Boden des Gehäuses ausgebildet. In diesem Boden befinden sich keine Anschlüsse, und es ergibt sich so eine besonders einfache Gestaltung der Befeuchtereinrichtung.
-
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Boden des Gehäuses konvex gewölbt ist. So kann besonders einfach die für den Betrieb der Befeuchtereinrichtung notwendige Druckfestigkeit bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz sichergestellt werden. Im Betrieb liegt nämlich in der Befeuchtereinrichtung ein vergleichsweise hoher Innendruck vor.
-
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Gehäuse zylindrisch ausgebildet ist, wobei sich eine Mantelfläche des Gehäuses an die jeweilige Stirnseite anschließt. Durch eine solche zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Gestalt des Gehäuses kann sowohl ein einfacher Aufbau der Befeuchtereinrichtung als auch die für den im Betrieb hohen Innendruck notwendige Druckfestigkeit einfach erreicht werden. Dies gilt insbesondere, wenn zusätzlich der Boden des Gehäuses konvex gewölbt ist.
-
Bevorzugt ist die Befeuchtungseinheit als Bündel von Hohlfasermembranen ausgebildet, welches in einem zentralen Bereich des Gehäuses angeordnet und zumindest bereichsweise von wenigstens einem Strömungskanal für das Reaktionsmedium umgeben ist. So ist eine besonders kompakte und einer guten Strömungsverteilung des Reaktionsmediums zuträglich Befeuchtereinrichtung geschaffen.
-
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine Strömungskanal zumindest einen Teilbereich eines Ringraums umfasst, wobei das zumindest aus dem Teilbereich des Ringraums austretende Reaktionsmedium mittels der zweiten Stirnseite des Gehäuses umlenkbar und dem Bündel der Hohlfasermembranen zuführbar ist. So kann besonders gut sichergestellt werden, dass das Bündel der Hohlfasermembranen besonders weitgehend von dem Reaktionsmedium durchströmt und hierbei Feuchtigkeit auf letzteres übertragen wird.
-
In dem Ringraum können zu dessen Verstärkung Querstege vorgesehen sein, so dass in diesem eine Mehrzahl von Strömungskanälen bereitgestellt ist.
-
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der wenigstens eine Strömungskanal zumindest einen Teilbereich eines Ringraums umfasst, wobei durch wenigstens eine Öffnung in einer zumindest den Teilbereich des Ringraums von dem Bündel abgrenzenden Wand hindurch ein Befeuchtungsmedium dem Bündel der Hohlfasermembranen zuführbar ist. So kann besonders gut ein Befeuchten des Reaktionsmediums mit dem Befeuchtungsmedium im Kreuzstrom oder auch im Gegenstrom sichergestellt werden. Ein besonders weitgehender Gegenstrom lässt sich einstellen, wenn Eintrittsöffnungen für das Befeuchtungsmedium in einem Bereich der Wand angeordnet sind, welche der ersten Stirnseite nahe ist, während Austrittsöffnungen in einem Bereich der Wand angeordnet sind, welcher der zweiten Stirnseite des Gehäuses benachbart ist.
-
Eine besonders leichte und kostengünstige Bauweise der Befeuchtereinrichtung lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass zumindest eine Wand wenigstens eines Strömungskanals für das Reaktionsmedium und/oder für ein Befeuchtungsmedium aus einem Metall gebildet ist. Dies gilt insbesondere, wenn ein dünnes Metallblech Verwendung findet. Ein derartiges Material ist nämlich bedeutend leichter und billiger als der üblicherweise für Befeuchtereinrichtungen verwendet Gusskunststoff. Durch die Verwendung von Metallblech anstelle von Gusskunststoff lässt sich auch die Fertigung der Befeuchtereinrichtung vereinfachen und besonders kostengünstig auslegen. Zudem ist so ein besonders geringes Gewicht der Befeuchtereinheit erreichbar.
-
Die genannten Vorteile gelten insbesondere, wenn des Weiteren zumindest eine Wand des Gehäuses und/oder zumindest eine der beiden Stirnseiten des Gehäuses aus dem Metall, insbesondere aus dem Metallblech gebildet sind.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein weiterer Anschluss zum Einbringen eines Befeuchtungsmediums in die Befeuchtungseinheit an der ersten der beiden Stirnseiten des Gehäuses angeordnet. Dann kann besonders gut beispielsweise die aus den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems austretende, Produktwasser enthaltende Luft als Befeuchtungsmedium in die Befeuchtungseinheit eingebracht werden. Zusätzlich oder alternativ kann an der ersten der beiden Stirnseiten ein weiterer Anschluss angeordnet sein, welcher dem Abführen eines als Kühlmedium nutzbaren Medienstroms aus der Befeuchtungseinheit dient. So kann beispielsweise das Produktwasser enthaltende Abgas des Brennstoffzellenstapels nach dem Durchströmen der Befeuchtungseinheit über diesen weiteren Anschluss aus der Befeuchtereinrichtung abgeführt und einem zum Kühlen der Zuluft vorgesehenen Kühler zugeführt werden. Dadurch, dass alle Medienanschlüsse auf derselben Stirnseite des Gehäuses vorgesehen sind, lassen sich diese besonders einfach und aufwandsarm mit korrespondierenden Anschlüssen bzw. Leitungen verbinden.
-
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt wenn an der ersten der beiden Stirnseiten ein Kopplungselement angeordnet ist, mittels welchen die Anschlüsse der Befeuchtereinrichtung mit korrespondierenden Anschlüssen des Brennstoffzellensystems fluidisch verbindbar sind. Ein solches Kopplungselement kann etwa zum Aufstecken und Verrasten der Befeuchtereinrichtung an einer die korrespondierenden Anschlüsse aufweisenden Komponente des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ausbildung des Kopplungselements als Schraubgewinde, da so besonders einfach, insbesondere unter Verwendung von Dichtringen, die fluidisch dichte Kopplungen der Anschlüsse mit den korrespondierenden Anschlüssen erreicht werden kann.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine auswechselbare Befeuchterkartusche für einen Befeuchter eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug.
-
Die Figur zeigt in einer schematisierten Schnittansicht eine Befeuchtereinrichtung in Form einer auswechselbaren Befeuchterkartusche 10. Die Befeuchterkartusche 10 umfasst eine Befeuchtungseinheit, welche als Bündel 12 von Hohlfasermembranen ausgebildet ist. Dieses Bündel 12 ist im zentralen Bereich eines kreiszylindrischen Gehäuses 14 der Befeuchterkartusche 10 angeordnet.
-
Die Befeuchterkartusche 10 weist eine erste Stirnseite in Form eines Deckels 16 auf, an welchem sämtliche Medienanschlüsse der Befeuchterkartusche 10 ausgebildet sind. Eine zweite, der ersten Stirnseite gegenüberliegenden Stirnseite der Befeuchterkartusche 10 ist als gewölbter Boden 18 ausgebildet. In diesem gewölbten Boden 18 sind keine Medienanschlüsse vorhanden. Der Boden 18 kann wie vorliegend beispielhaft gezeigt insbesondere einstückig mit einer Gehäusewand 20 des Gehäuses 14 ausgebildet sein, welche eine Mantelfläche des kreiszylindrischen Gehäuses 14 bildet. Diese Gehäusewand 20 ist – vorliegend also ebenso wie der Boden 18 – aus einem Metallblech gebildet.
-
Im Zusammenwirken mit einer weiteren kreiszylindrischen Wand 22 der Befeuchterkartusche 10, welche zwischen der Gehäusewand 20 und dem Bündel 12 angeordnet ist, ist ein Ringraum 24 gebildet, über welchen vorliegend die von einem Ladeluftkühler kommende, trockene Zuluft dem Bündel 12 zugeführt wird. Diese Zuluft kann eine Temperatur von etwa 100°C aufweisen. Das sich im Bereich des Deckels 16 befindende, in der Figur untere Ende des Ringraums 24 stellt einen ersten Anschluss 26 zum Einbringen der zu befeuchtenden Zuluft in Befeuchterkartusche 10 bereit.
-
Das Einströmen der Zuluft in den Ringraum 24 ist in der Figur durch Strömungspfeile 28 veranschaulicht. Die Zuluft strömt dann bis zur gegenüberliegenden Stirnseite, also bis zum Boden 18 der Befeuchterkartusche 10. Dort wird sie durch die gewölbte Formgebung des Bodens 18 umgelenkt und dem Bündel 12 der Hohlfasermembranen zugeführt. Das Umlenken der Zuluft mittels des Bodens 18 ist in der Figur durch einen weiteren Strömungspfeil 30 veranschaulicht. Des Weiteren ist aus der Figur ersichtlich, dass der Ringraum 24 durch Querstege 32, welche sich in radialer Richtung erstrecken, in eine Vielzahl von Strömungskanälen unterteilt ist, durch welche die Zuluft in Richtung des Bodens 18 strömt.
-
Durch die Wand 22 ist im Zusammenwirken mit einer weiter innen liegenden weiteren Wand 34 ein weiterer Strömungskanal 36 gebildet, welcher als Teilbereich eines Ringraums ausgebildet ist. Dieser Strömungskanal 36 ist nämlich nicht umfangseitig um das Bündel 12 umlaufend ausgebildet, sondern er ist durch einen Trennwand 38 von einem weiteren Strömungskanal 40 abgetrennt, welcher ebenfalls im Zusammenwirken der Wand 22 mit der weiter innen liegenden Wand 34 gebildet ist. Über diesen Strömungskanal 36 strömt feuchte, Produktwasser enthaltende Abluft 42 vom Brennstoffzellenstapel als Befeuchtungsmedium in die Befeuchterkartusche 10 ein. Die Abluft 42 ist in der Figur durch einen weiteren Strömungspfeil veranschaulicht, und sie strömt durch einen weiteren Anschluss 44 in den Strömungskanal 36 ein, welcher ebenfalls am Deckel 16 der Befeuchterkartusche 10 angeordnet ist.
-
Auch die den ersten Ringraum 24 nach innen begrenzende Wand 22 und die weiter innen liegende Wand 34 sind vorliegend aus einem Metallblech gebildet.
-
In einem dem Deckel 16 nahen Bereich der Wand 34 sind eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen 46 ausgebildet, über welche die feuchte Abluft 42 des Brennstoffzellenstapels in den Bereich des Bündels 12 der Hohlfasermembranen eintreten kann. Dadurch, dass die zu befeuchtende Zuluft von der gegenüberliegenden Stirnseite, also vom Boden 18 her in das Bündel 12 einströmt und die dem Befeuchten dienende Abluft 42 vom Deckel 16 her, ist eine besonders gute Übertragung der Feuchte auf die Zuluft sichergestellt.
-
Die befeuchtete Zuluft, welche insbesondere eine relative Feuchte von 100% aufweisen kann, verlässt die Befeuchterkartusche 10 über eine weiteren Anschluss 48, welcher ebenfalls im Deckel 16 der Befeuchterkartusche 10 ausgebildet ist. Das Austreten dieser befeuchteten Zuluft aus der Befeuchterkartusche 10 ist in der Figur durch einen weiteren Strömungspfeil 50 veranschaulicht.
-
In einem dem Boden 18 nahen Bereich weist die den Strömungskanal 40 zum Bündel 12 hin begrenzende Wand 34 weitere Durchtrittsöffnungen 52 auf, über welche die dem Befeuchten der Zuluft dienende Abluft 42 des Brennstoffzellenstapels aus dem Bündel 12 abgeführt wird. Durch die Anordnung der ersten Durchtrittsöffnungen 46 nahe des Deckels 16 und der weiteren Durchtrittsöffnungen 52 nahe des Bodens 18 ist ein Durchströmen des Bündels 12 mit dem Befeuchtungsmedium sowohl im Kreuzstrom als auch im Gegenstrom einstellbar. Ein entsprechender Strömungsweg des Befeuchtungsmediums durch das Bündel 12 ist in der Figur durch weitere Strömungspfeile 54 veranschaulicht. Über einen weiteren im Deckel 16 ausgebildeten Anschluss 56 verlässt das Befeuchtungsmedium den Strömungskanal 40 und die Befeuchterkartusche 10.
-
Die nach dem Durchströmen des Bündels 12 und dem Abgeben von Feuchte an die Zuluft im Vergleich zur Zuluft relativ kühlere Abluft wird vorliegend über den Anschluss 56 dem Ladeluftkühler des Brennstoffzellensystems zugeführt. Das entsprechende Ausströmen dieser zwar noch feuchten aber dennoch vergleichsweise kühlen Luft aus dem Strömungskanal 40 ist in der Figur durch einen weiteren Strömungspfeil 58 veranschaulicht.
-
Dadurch, dass alle Medienanschlüsse im Bereich des Deckels 16 angeordnet sind, lässt sich die Befeuchterkartusche 10 sehr einfach ausbauen und einbauen, also etwa im Rahmen einer Wartung austauschen. Dies geschieht ähnlich wie beim Austauschen eines auswechselbaren Ölfilters für das Motoröl eines Verbrennungsmotors.
-
Um das Austauschen der Befeuchterkartusche 10 besonders einfach zu gestalten, weist die Wand 34 in einem über den Deckel 16 überstehenden Bereich ein Einschraubgewinde 60 auf. So kann durch einfaches Anschrauben der Befeuchterkartusche 10 an ein dem Befeuchten der Zuluft für den Brennstoffzellenstapel dienendes (in der Figur nicht gezeigtes) Befeuchtungsmodul das fluidische Koppeln der vier Medienanschlüsse mit auf Seiten des Befeuchtungsmoduls vorgesehenen Anschlüssen sichergestellt werden.
-
Durch die Ausbildung der Befeuchterkartusche 10 als einfach austauschbare Kartusche welche zudem durch die Verwendung von Blech für die Wände 22, 34, der Gehäusewand 20, des Deckels 16 und des Bodens 18 besonders kostengünstige Materialien aufweist, ist es möglich eine vergleichsweise kleine Befeuchterkartusche 10 vorzusehen, welche nicht auf die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt zu werden braucht. Dies liegt daran, dass die Befeuchterkartusche 10 einfach auswechelbar ist.
-
Zudem bietet die Befeuchterkartusche 10 alle vier Medienanschlüsse, nämlich den Anschluss 28 für die zu befeuchtende Zuluft, den Anschluss 44 für das Befeuchtungsmedium, den Anschluss 48 für die befeuchtete Zuluft und den Anschluss 56 für das nach dem Abgeben der Feuchte an die Zuluft aus der Befeuchterkartusche 10 austretende Befeuchtungsmedium, auf einer Fläche oder Stirnseite der Befeuchterkartusche 10 an, nämlich auf der durch den Deckel 16 gebildeten Stirnseite.
-
Es reicht aus, die Befeuchterkartusche 10 mit der die korrespondierenden Anschlüsse bereitstellende Komponente des Befeuchtermoduls zu verschrauben, um eine fluidische Kopplung dieser vier Medienanschlüsse mit den korrespondierenden Anschlüssen zu erreichen. Es braucht also nicht eine mechanische Befestigung zusätzlich zum Anschließen von vier einzelnen Medienschlauchstutzen vorgesehen zu werden.
-
Beim Anschließen sorgen Dichtungen etwa in Form der vorliegend in der Figur gezeigten Dichtringe 62 für ein Abdichten der Strömungskanäle für die unterschiedlichen Medien gegenüber einander sowie des Bündels 12 gegenüber der Wand 34.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Befeuchterkartusche
- 12
- Bündel
- 14
- Gehäuse
- 16
- Deckel
- 18
- Boden
- 20
- Gehäusewand
- 22
- Wand
- 24
- Ringraum
- 26
- Anschluss
- 28
- Strömungspfeil
- 30
- Strömungspfeil
- 32
- Quersteg
- 34
- Wand
- 36
- Strömungskanal
- 38
- Trennwand
- 40
- Strömungskanal
- 42
- Abluft
- 44
- Anschluss
- 46
- Durchtrittsöffnung
- 48
- Anschluss
- 50
- Strömungspfeil
- 52
- Durchtrittsöffnung
- 54
- Strömungspfeil
- 56
- Anschluss
- 58
- Strömungspfeil
- 60
- Einschraubgewinde
- 62
- Dichtungsring
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004022021 A1 [0002]
