DE102012218303A1

DE102012218303A1 - Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen sowie Befeuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102012218303A1
Application number: DE102012218303A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Mathias Purmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-04-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung von Prozessgasen sowie die Befeuchtungseinrichtung (50) selbst, wobei die Befeuchtungseinrichtung (50) einen Befeuchterstapel (66) mit einer Vielzahl wasserdampfpermeabler Membrane (54), Diffusionsschichten (56) sowie Strömungsschichten (58, 60), jeweils umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege (62), welche Strömungskanäle (64) begrenzen. Nach dem Verfahren wird (a) in einem Rollenprozess eine Bahn eines ersten Materials (162) in Längsrichtung geschnitten wird, sodass eine Vielzahl Streifen (164) erzeugt wird, und wenigstens ein Teil der Streifen (164) beabstandet zueinander beidseitig mit jeweils einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156, 156’) unter Ausbildung der Strömungsstege (62) verbunden wird, sodass die Strömungskanäle (64) einer Strömungsschicht (58, 60) ausgebildet werden, und anschließend entweder (b1) das Gefüge aus Schritt (a) zugeschnitten wird und (c1) die Zuschnitte aus Schritt (b1) abwechselnd mit jeweils einer wasserdampfpermeablen Membran (54) zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden, oder (b2) das Gefüge aus Schritt (a) mit einer Bahn eines Membranmaterials geschichtet wird und (c2) das in Schritt (b2) erhaltene Gefüge zugeschnitten wird und die so erhaltenen Zuschnitte zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere Prozessgasen für Brennstoffzellen, wobei die Befeuchtungseinrichtung einen Befeuchterstapel mit einer Vielzahl wasserdampfpermeabler Membrane, Diffusionsschichten sowie Strömungsschichten umfasst, wobei die Strömungsschichten jeweils eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege umfassen, welche Strömungskanäle begrenzen. Die Erfindung betrifft ferner eine, mit dem Verfahren hergestellte Befeuchtungseinrichtung.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und zwei sandwichartig die Membran einschließenden Elektroden (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über einen elektrischen Stromkreis der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird außerdem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Der Fokus der aktuellen Brennstoffzellenentwicklung ist insbesondere auf Traktionsanwendungen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen gerichtet. Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran aus einem befeuchteten Polyelektrolyt (z.B. Nafion^®) gebildet wird und die wassergebundene elektrolytische Leitung über hydratisierte Protonen stattfindet. Derartige Polymerelektrolytmembrane sind zur Protonenleitung auf das Vorhandensein von Wasser angewiesen. Unterhalb einer gewissen Temperatur kann hierfür das kathodisch gebildete Produktwasser als Feuchtigkeitsquelle zur Befeuchtung der Membran noch ausreichend sein. Bei höheren Temperaturen hingegen wird jedoch zunehmend Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel mit dem Kathodenabgas ausgetragen. Um hier einer Austrocknung der Brennstoffzellen-Membran entgegenzuwirken, muss der Feuchtigkeitsaustrag durch aktive Zuführung von Wasser kompensiert werden, wobei insbesondere bekannt ist, einen Teil der aus dem Stapel ausgetragenen Feuchtigkeit rückzuführen. Die Strategie der Feuchtigkeitsrückführung wird für PEM-Brennstoffzellen entweder im Wege der Diffusion von Wasser über wasserdampfpermeable Membrane realisiert und/oder nach dem Kapillarprinzip durch feinste Kanäle einer porösen Schicht. Für das Diffusions- als auch das Kapillarprinzip eignen sich so genannte Hohlfasermodule.
Membranbefeuchter nutzen das durch die Brennstoffzellenreaktion an der Kathode gebildete Produktwasser unter Verwendung einer wasserdampfpermeablen Membran, um das der Brennstoffzelle zuzuführende Prozessgas, zumeist die den Kathodenräumen zuzuführende Luft, zu befeuchten. Auf diese Weise wird nicht nur die Austrocknung der Brennstoffzellenmembran verhindert, sondern auch eine übermäßige Ansammlung von Wasser in der Brennstoffzelle.
US 2008/0241636 A1 ( DE 10 2008 016 087 A1 ) beschreibt einen solchen Membranbefeuchter, der nach dem Prinzip eines Gegenstromwärmetauschers ausgebildet ist, wobei ein wasserdampfreiches Gas durch Leitungen geführt wird, die von einem Gehäuse, durch welches das zu befeuchtende Gasgemisch im Gegenstrom strömt, eingeschlossen werden. Die Leitungen bestehen aus einem wasserdampfdurchlässigen Membranmaterial.
US 2009/0092863 A beschreibt einen Membranbefeuchter, der einen Stapel abwechselnder Nassplatten (wet plates) und Trockenplatten (dry plates) aufweist. Jede Platte besteht aus zwei Gasdiffusionsschichten, zwischen denen fadenförmige Stege mit kreisrunden Querschnitten angeordnet sind, welche Strömungskanäle begrenzen. Die Strömungskanäle der Nassplatte führen feuchte Abluft von der Kathodenseite der Brennstoffzelle und die Strömungskanale der Trockenplatte führen relativ trockenes Prozessgas, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird. Zwischen jeweils einer Nass- und Trockenplatte ist eine wasserdampfpermeable Membran angeordnet. Die Platten sind seitlich durch Dichtleisten abgedichtet. Die Herstellung der Nass- und Trockenplatten erfolgt in einem kontinuierlichen Rollenprozess, wobei die fadenförmigen Stege zusammen mit den seitlichen Dichtleisten auf einer gemeinsamen Materialrolle vorgehalten werden. Von dieser werden Stege und Dichtleisten gleichzeitig abgerollt und beidseitig mit jeweils einer Bahn des Diffusionsmaterials verbunden.
Aus DE 10 2009 034 095 A1 ist ein Membranbefeuchter in einer ähnlichen Plattenbauweise bekannt, bei dem seitliche massive Dichtleisten unmittelbar zwischen zwei Membranschichten angeordnet sind und bündig mit diesen nach außen abschließen.
Prozessgasbefeuchter für Brennstoffzellen benötigen relativ viel Bauraum, was ihre Unterbringung in Fahrzeugen erschwert. Volumeneinsparungen andererseits gehen jedoch zumeist auf Kosten der Übertragungsrate.
Zudem sind die Herstellungsverfahren vergleichsweise aufwändig und teuer.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung vom Membrantyp für Brennstoffzellen beziehungsweise eines Befeuchterstapels einer solchen bereitzustellen, das mit wenig Prozessschritten auskommt und somit weniger aufwändig und schneller als bekannte Verfahren ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Befeuchtungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, die einen Befeuchterstapel mit einer Vielzahl der sich wiederholenden Komponenten umfasst:

– wasserdampfpermeable Membrane
– Diffusionsschichten sowie
– Strömungsschichten, jeweils umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege, welche Strömungskanäle begrenzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer ersten Variante umfasst die Schritte:

(a) In einem Rollenprozess: Schneiden einer Bahn eines ersten Materials in Längsrichtung, sodass eine Vielzahl Streifen erzeugt wird, und beidseitiges Verbinden wenigstens eines Teils der Streifen beabstandet zueinander mit jeweils einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials unter Ausbildung der Strömungsstege und Strömungskanäle einer Strömungsschicht, und die anschließenden Schritte umfassend entweder:
(b1) Zuschneiden des Gefüges aus Schritt (a) und
(c1) abwechselnde Anordnung der Gefügezuschnitte aus Schritt (b1) mit jeweils einer wasserdampfpermeablen Membran zu einem Befeuchterstapel, oder
(b2) Schichten des Gefüges aus Schritt (a) mit einer Bahn eines Membranmaterials und
(c2) Zuschneiden des in Schritt (b2) erhaltenen Gefüges und Anordnen der so erhaltenen Zuschnitte zu einem Befeuchterstapel.

Produkt dieser Verfahrensvariante ist ein Befeuchterstapel, der die sich wiederholende Struktureinheit: Diffusionsschicht / erste (prozessgasführende) Strömungsschicht / Diffusionsschicht / Membran / Diffusionsschicht / zweite (feuchtgasführende) Strömungsschicht / Diffusionsschicht / Membran aufweist. Beispiele hierfür werden anhand der 3 bis 6 erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer zweiten Variante umfasst die Schritte:

(a1) In einem Rollenprozess: Schneiden einer Bahn eines ersten Materials in Längsrichtung, sodass eine Vielzahl Streifen erzeugt wird, und beidseitiges Verbinden wenigstens eines Teils der Streifen beabstandet zueinander mit jeweils einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials unter Ausbildung der Strömungsstege und Strömungskanäle einer Strömungsschicht, und
(a2) In einem Rollenprozess: Schneiden einer Bahn eines ersten Materials in Längsrichtung, sodass eine Vielzahl Streifen erzeugt wird, und beidseitiges Verbinden wenigstens eines Teils der Streifen beabstandet zueinander beidseitig mit jeweils einer Bahn eines Membranmaterials unter Ausbildung der Strömungsstege und Strömungskanäle einer Strömungsschicht, und
(b) Zuschneiden jeweils des Gefüges aus Schritt (a1) und des Gefüges aus Schritt (a2) und
(c) miteinander abwechselndes Anordnen der Zuschnitte aus Schritt (b) zu einem Befeuchterstapel.

Produkt dieser Verfahrensvariante ist ein Befeuchterstapel, der die sich wiederholende Struktureinheit: Membran / erste Strömungsschicht / Membran / Diffusionsschicht / zweite Strömungsschicht / Diffusionsschicht aufweist. Beispiele hierfür werden anhand der 12 und 13 erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer dritten Variante umfasst die Schritte:

(a) In einem Rollenprozess: Schneiden einer Bahn eines ersten Materials in Längsrichtung, sodass eine Vielzahl Streifen erzeugt wird, und beidseitiges Verbinden wenigstens eines Teils der Streifen beabstandet zueinander mit einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials sowie einer Bahn eines Membranmaterials unter Ausbildung der Strömungsstege und der Strömungskanäle einer Strömungsschicht,
(b) Zuschneiden des Gefüges aus Schritt (a) und
(c) Anordnen der Zuschnitte aus Schritt (b) zu einem Befeuchterstapel.

Produkt dieser Verfahrensvariante ist ein Befeuchterstapel, der die sich wiederholende Struktureinheit: Diffusionsschicht / erste Strömungsschicht / Membran / Diffusionsschicht / zweite Strömungsschicht / Membran aufweist. Beispiele hierfür werden anhand der 14 und 15 erläutert.
Gemeinsames Merkmal der vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten ist das Fertigen der Strömungsstege durch Schneiden aus einer Materialbahn und anschließendes Verbinden der so erhaltenen Streifen mit den entsprechenden Materialbahnen (Diffusions- und/oder Membranmaterialbahnen) in einem gemeinsamen kontinuierlichen Rollenprozess. Auf diese Weise erübrigen sich vorgeschaltete, außerhalb des kontinuierlichen Rollenprozesses erfolgende Prozessschritte zur Erzeugung und separaten Anordnung der die Strömungsstege ausbildenden Elemente. Somit können sowohl für die Herstellung der Strömungsstege als auch für die weiteren Materialien (Endlos) Materialbahnen verwendet werden, und das Gefüge aus Diffusions- und/oder Membranschichten und dazwischen angeordneten Strömungsschichten in einem kontinuierlichen Rollenprozess erzeugt werden.
Nach der ersten Verfahrensvariante kann die anschließende Konfektionierung der erzeugten Strömungsschichten und ihr Zusammenbau mit Membranschichten zu einem Befeuchterstapel entweder erfolgen, indem zunächst das Gefügeprodukt aus Schritt (a) konfektioniert wird und dann mit bereits zugeschnittenen Membranschichten gestapelt wird (Schritte (b1) und (c1)) oder indem das bahnförmige Gefügeprodukt aus Schritt (a) unkonfektioniert in einem anschließenden oder integrierten Rollenprozess mit einer Bahn des Membranmaterials geschichtet wird und erst dann zusammen mit der Membran konfektioniert und gestapelt wird (Schritte (b2) und (c2)).
Bei sämtlichen der drei Verfahrensvarianten kann im Rahmen der Erfindung die Erzeugung der Strömungsschichten in Schritt (a) beziehungsweise Schritt (a1) und (a2) in zwei alternativen vorteilhaften Varianten erfolgen.
Nach einer ersten Variante erfolgt in Schritt (a) beziehungsweise Schritt (a1) und (a2) das Schneiden des ersten Materials so, dass die später die Strömungsstege ausbildenden Streifen mit einem vorbestimmten Abstand zueinander aus dem Material ausgeschnitten werden und mit den Bahnen des gasdurchlässigen Diffusions- und/oder Membranmaterials unter Beibehaltung dieses Abstands verbunden werden und die zwischen den, die Strömungsstege ausbildenden Streifen verbleibenden Materialstreifen vor dem Verbinden (als Verschnitt) entfernt werden. Mit anderen Worten werden in diesem Schritt die Streifen bereits mit einem Abstand, der den zu erzeugenden Strömungskanälen entspricht, zueinander aus der Materialbahn ausgeschnitten und mit diesem Abstand mit dem Diffusions- und/oder Membranmaterial verbunden. Die dazwischen liegenden Verschnittstreifen haben somit eine den Strömungskanälen entsprechende Breite. Im Ergebnis wird nur jeder zweite Streifen (nämlich jene, welche im Produkt die Strömungsstege bilden) mit dem Diffusionsmaterial verbunden und die anderen Streifen innerhalb des Rollenprozesses kontinuierlich entfernt. In dieser Variante kann die Materialbahn des ersten Materials im Wesentlichen die gleiche Breite aufweisen wie die Diffusionsmaterialbahnen, wodurch sich gewisse Prozessvereinfachungen ergeben.
Gemäß der alternativen Variante werden in Schritt (a) beziehungsweise Schritt (a1) und (a2) die Streifen nach dem Schneiden so aufgespreizt, dass sie jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, und mit diesem Abstand mit den Bahnen des gasdurchlässigen Diffusions- beziehungsweise Membranmaterials verbunden. Der vorbestimmte Abstand entspricht demnach wiederum der Breite der zu erzeugenden Strömungskanäle. Vorteil dieser Ausführung ist die Vermeidung von Verschnitt und somit eine Materialersparnis. Somit kann die Materialbahn des ersten Materials eine Breite aufweisen, die kleiner ist als die des Diffusionsmaterials, insbesondere dem Produkt aus Breite der Stege und ihrer Anzahl entsprechen. Das Aufspreizen der Streifen erfolgt vorzugsweise mittels einer Vielzahl orthogonal zu der Materialbahn angeordneter Rollen.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden in Schritt (a) beziehungsweise Schritt (a1) und (a2) jene beiden Streifen, die später die äußersten Stege ausbilden, mit einer Breite geschnitten, die größer ist als eine Breite der inneren Streifen. In dieser Ausgestaltung werden durch die beiden breiten äußeren Streifen seitliche Dichtstege ausgebildet, welche die Strömungsschichten nach außen abdichten. Auf diese Weise erübrigen sich weitere Prozessschritte und Materialien zur Abdichtung der Strömungsschichten nach außen. Vorzugsweise ist die Breite der äußeren Streifen somit so gewählt, dass sie eine effektive Abdichtung erlauben. Beispielsweise entspricht die Breite der (äußeren) Dichtstege 2 bis 20 mm, insbesondere 3 bis 15 mm, vorzugsweise 4 bis 8 mm. Demgegenüber weisen die inneren Strömungsstege typischerweise eine Breite im Bereich von 0,1 bis 2 mm auf, insbesondere von 0,2 bis 1 mm, vorzugsweise von etwa 0,8 mm.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt (c) beziehungsweise Schritt (c1) und (c2) das Verfügen der Zuschnitte so, dass in dem fertigen Stapel jeweils die Stege einer ersten Strömungsschicht in gekreuzter Richtung zu den Stegen einer auf die erste Strömungsschicht folgenden zweiten Strömungsschicht verlaufen. Mit anderen Worten wird beim Stapeln jede zweite Strömungsschicht vorzugsweise um 90° gegenüber den anderen Strömungsschichten gedreht angeordnet. Durch diese Ausgestaltung ist die konstruktive Anbindung der Strömungsschichten an das zu befeuchtende Prozessgas sowie an das Feuchtgas erleichtert. Beispielsweise werden die ersten Strömungsschichten mit dem zu befeuchtenden Prozessgas beaufschlagt, insbesondere mit einem Kathodenprozessgas für eine Brennstoffzelle, und die zweiten Strömungsschichten mit dem feuchten Gas, insbesondere mit einem Kathodenabgas der Brennstoffzelle. Zudem wird durch die Kreuzstromführung eine besonders hohe Feuchtigkeitsübertragungsrate erzielt.
Mit Vorteil können die Streifen (Strömungsstege) einer Strömungsschicht mit den benachbarten Diffusionsschichten und/oder Membranschichten fest (unlösbar) verbunden sein. Dies erfolgt vorzugsweise durch Verkleben. Zu diesem Zweck wird in einer bevorzugten Ausführung als das erste Material ein beidseitig selbstklebendes Material oder ein beidseitig mit einer selbstklebenden Materialschicht beschichtetes Material verwendet. Vorzugsweise kommt für das selbstklebende Material oder die selbstklebende Materialschicht ein drucksensitiver Klebstoff (Haftklebstoff) zum Einsatz (z.B. Synthetikkautschuke, insbesondere in Lösungsmitteln). Alternativ kann auch ein Heißkleber verwendet werden, der durch eine thermische Behandlung angeschmolzen wird, sodass eine Klebeverbindung mit dem Diffusions- und/oder Membranmaterial entsteht. Nach einer weiteren Alternative wird als erstes Material ein nicht selbstklebendes Material verwendet, wobei das erste Material und/oder das Diffusions- beziehungsweise Membranmaterial innerhalb des Rollenprozesses vor ihrem Verbinden mit einem Klebstoff beschichtet, beispielsweise besprüht werden, wofür Kleber auf Acryl- oder Silikonbasis zum Einsatz kommen können. Alternativ kann die Verbindung der Streifen (Strömungsstege) einer Strömungsschicht mit den benachbarten Diffusionsschichten und/oder Membranschichten auch durch Verschweißen erfolgen, wofür ein thermisches Anschmelzen und Verpressen der zu verbindenden Materialien erfolgt.
Insbesondere wenn das erste Material ein selbstklebendes Material oder ein mit einer selbstklebenden Materialschicht beschichtetes Material ist, liegt dieses vorzugsweise als Beschichtung auf einer Trägerschicht vor, wobei die Trägerschicht vor dem Verbinden mit dem Diffusionsmaterial entfernt wird. Vorzugsweise erfolgt zunächst das Schneiden des ersten Materials inklusive seiner Trägerschicht, und anschließend die Entfernung der Trägerschicht. Geeignete Trägerschichtmaterialien umfassen Kunststoffe oder Papier.
In besonders bevorzugter Ausführung der Erfindung ist das Diffusionsmaterial selbsttragend ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass es eine Schichtdicke aufweist und aus einem Material besteht, die ein spontanes (in Abwesenheit einer Krafteinwirkung) Verbiegen der zugeschnittenen Diffusionsschicht verhindern. In dieser Ausführung übernehmen die Diffusionsschichten nicht nur Transportaufgaben, sondern sind gleichzeitig auch tragendes Element des Befeuchterstapels. Zusätzliche Schichten oder Rahmenkonstruktionen, die für eine mechanische Abstützung der Membrane ansonsten erforderlich sind, sind bei dieser Ausgestaltung entbehrlich. Aus materieller Hinsicht sind Kunststoffmaterialien und Metalle zu diesem Zweck als Diffusionsmaterial besonders geeignet, insbesondere hochwertige Kunststoffe wie Polyetherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polysulfon (PSU) oder Polypropylen (PP). Strukturell eignen sich sämtliche, eine ausreichende Gasdurchlässigkeit gewährleistende Strukturen für das Diffusionsmaterial, insbesondere Faserstrukturen, beispielsweise in Form von Vliesen oder Geweben, offenporige Schäume oder perforierte (Metall- oder Kunststoff-)Folien.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle, umfassend einen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Befeuchterstapel. Dabei umfasst der Stapel die sich wiederholenden Komponenten:

– eine wasserdampfpermeable Membran,
– eine, auf mindestens einer Flachseite der Membran angeordnete gasdurchlässige Diffusionsschicht,
– jeweils eine, auf einer Hauptfläche des Gefüges aus Membran und der mindestens einen Diffusionsschicht angeordnete Strömungsschicht, umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander und parallel zur Membran verlaufender Strömungsstege, welche Strömungskanäle begrenzen, wobei eine erste Strömungsschicht ausgebildet ist, ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Prozessgas zu leiten, und eine zweite Strömungsschicht ausgebildet ist, ein aus der Brennstoffzelle abgeführtes Abgas zu leiten.

Vorzugsweise besteht die Befeuchtungseinrichtung hinsichtlich ihrer funktionellen, den Stapel aufbauenden Komponenten praktisch ausschließlich aus den genannten Komponenten wasserdampfpermeable Membrane, Diffusionsschichten sowie Strömungsschichten. Dabei sind die Strömungsschichten wiederum aus beabstandeten Strömungsstegen aufgebaut, welche gleichsam als Abstandshalter zweier benachbarter Schichten fungieren und die Strömungskanäle definieren. Aufgrund ihrer Herstellung durch Schneiden einer flächigen Materialbahn versteht es sich, dass die Strömungsstege einen viereckigen Querschnitt aufweisen, nämlich einen rechteckigen oder quadratischen. Mit Ausnahme eventuell vorhandener Klebeschichten und/oder Dichtungs- und Fixierungsmittel enthält der Befeuchterstapel bevorzugt keine weiteren Bauteile. Bei den Komponenten Membran und Diffusionsschicht handelt es sich um flächige Bauteile, insbesondere Folien oder Platten, bei denen die Abmessungen ihrer zwei Hauptflächen um zumindest eine Größenordnung, insbesondere zumindest zwei Größenordnungen größer sind als die der vier schmalen Kantenflächen. Durch den schichtweisen Aufbau des Befeuchterstapels aus nur wenigen Komponenten, die an ihren Hauptflächen (Fügeflächen) aneinander grenzen, wird einerseits eine hohe Feuchtigkeitsübertragungsrate von einem Feuchtgas auf ein Prozessgas bei gleichzeitig sehr kompakter Bauweise ermöglicht.
Die Komponenten, wasserdampfpermeable Membran, Diffusionsschicht sowie Strömungsschicht, bilden Struktureinheiten aus. Eine Vielzahl dieser Struktureinheiten wiederholen sich im erfindungsgemäßen Befeuchterstapel, der – in einem geeigneten Gehäuse angeordnet – die Kernkomponente der Befeuchtungseinrichtung darstellt.
In bevorzugter Ausgestaltung weisen die jeweils äußersten Strömungsstege der Strömungsschichten – wie im Rahmen des Herstellungsverfahrens bereits beschrieben – eine Breite auf, die größer ist als eine Breite der dazwischen liegenden inneren Strömungsstege. Hier kommt den breiten, äußersten Strömungsstegen die Funktion von Dichtstegen zu. Bevorzugt schließen die äußersten Stege (Dichtstege) im Wesentlichen bündig mit den Diffusionsschichten ab und diese wiederum bündig mit den Membranschichten.
Der Befeuchterstapel der sich wiederholenden Komponenten Membran, Diffusionsschicht und Strömungsschicht kann in einer Halterungskassette angeordnet sein, welche eine Fixierung und ein Anpressen der Komponenten untereinander bewirkt. Die Befeuchtungseinrichtung umfasst vorzugsweise ferner ein Gehäuse, in dem der Befeuchterstapel beziehungsweise die Halterungskassette mit dem Befeuchterstapel angeordnet ist. Das Gehäuse ist ausgebildet, die Vielzahl erster (prozessgasführender) Strömungsschichten mit einer Prozessgaszuleitung, insbesondere einer Brennstoffzelle, zu verbinden und die Vielzahl zweiter (feuchtgasführender) Strömungsschichten mit einer Feuchtgaszuleitung, insbesondere einer Abgasableitung einer Brennstoffzelle, zu verbinden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, welche einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Kathoden- und Anodenabschnitten umfasst, eine Kathodenprozessgasversorgung zur Versorgung der Anodenabschnitte mit Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und eine Kathodenprozessgasversorgung zur Versorgung der Kathodenabschnitte mit einem Kathodenprozessgas, insbesondere Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch wie Luft. Dabei umfassen die Kathodenprozessgasversorgung und/oder die Anodenprozessgasversorgung eine Befeuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Befeuchtung des Kathodenprozessgases beziehungsweise des Anodenprozessgases.
Zu diesem Zweck stehen das Kathoden- beziehungsweise Anodenprozessgas in Strömungsverbindung vorzugsweise mit der ersten Strömungsschicht der Befeuchtungseinrichtung in Verbindung und das Kathoden- beziehungsweise Anodenabgas in Strömungsverbindung mit der zweiten Strömungsschicht.
Im Rahmen der Erfindung wird mit dem Begriff „wasserdampfpermeable Membran“ eine Membran verstanden, die für gasförmiges Wasser (Heißdampf) und/oder teilkondensiertes Wasser (Nassdampf) durchlässig ist. Gleichzeitig sollte die Membran für andere Gasbestandteile möglichst undurchlässig sein, das heißt für Wasserdampf möglichst selektiv permeabel sein. Der Begriff „Prozessgas“ bezeichnet ein relativ wasserdampfarmes (trockenes), beispielsweise der Kathode einer Brennstoffzelle zuzuführendes Gas oder Gasgemisch, insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch wie Luft, oder ein der Kathode zuzuführendes Gas oder Gasgemisch, insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch. Gleichfalls wird unter „Feuchtgas“ ein Gas oder Gasgemisch verstanden, welches eine höhere Feuchtigkeit als das zu befeuchtende Prozessgas aufweist, beispielsweise ein aus dem Kathoden- oder den Anodenraum der Brennstoffzelle abgeführtes relativ wasserdampfreiches (feuchtes) Abgas.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung;
2 eine Einzelzelle der Brennstoffzelle aus 1 in einer Schnittansicht;
3 eine Struktureinheit eines Befeuchterstapels einer Befeuchtungseinrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
4 einen Stapel aus drei Struktureinheiten nach 3;
5 eine Struktureinheit eines Befeuchterstapels einer Befeuchtungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
6 einen Stapel aus drei Struktureinheiten nach 5;
7 eine Halterungskassette für einen Befeuchterstapel einer Befeuchtungseinrichtung;
8 eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung nach einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer perspektivischen Ansicht;
9 die Fertigungsvorrichtung nach 8 in einer Seitenansicht;
10 eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung nach einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer perspektivischen Ansicht;
11 die Fertigungsvorrichtung nach 10 in einer Draufsicht (unter Auslassung verschiedener Bauteile);
12 eine Struktureinheit eines Befeuchterstapels einer Befeuchtungseinrichtung gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
13 einen Stapel aus drei Struktureinheiten nach 12;
14 eine Struktureinheit eines Befeuchterstapels einer Befeuchtungseinrichtung gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung und
15 einen Stapel aus drei Struktureinheiten nach 15.
Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung am Beispiel einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen für eine Brennstoffzelle erläutert. Es versteht sich jedoch, dass die Befeuchtungseinrichtung auch zur Befeuchtung anderer Prozessgase einsetzbar ist.
Der grundsätzliche Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzellenanordnung wird zunächst anhand der 1 und 2 erläutert.
In 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 (auch einfach Brennstoffzelle genannt) dargestellt, der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen 14 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird durch zwei Endplatten 16 beidseitig zusammengehalten.
Eine einzelne beispielhafte Einzelzelle 14 ist in 2 näher dargestellt ist. Jede Einzelzelle 14 weist eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die jeweils eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran 16 umfasst sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden, nämlich eine Anode 18 und eine Kathode 20. Ferner umfassen die Einzelzellen 14 zwischen jeweils zwei MEA angeordnete Bipolarplatten 22, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung der Abgase sowie des Produktwassers sorgen. Zudem trennen sie die einzelnen MEA im Brennstoffzellenstapel 12 gasdicht voneinander. Die Bipolarplatten 22 weisen eine Vielzahl von inneren Transportkanälen auf, die der Zufuhr der Reaktionsgase (üblicherweise im Fall der Anode Wasserstoff und im Fall der Kathode Sauerstoff beziehungsweise Luft) und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Materialien zur Abdichtung und Stabilisierung der MEA sind nicht dargestellt.
Die Anode 18 und die Kathode 20 sind im dargestellten Beispiel als Gasdiffusionselektroden ausgestaltet und umfassen jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht 24, die auf einer Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer) 26 aufgebracht ist. Die Katalysatorschicht 24 umfasst ein kohlenstoffhaltiges oder gänzlich aus Kohlenstoff (Graphit) bestehendes Trägermaterial, das als eigentlich reaktive Zentren ein katalytisches Material trägt, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium, oder um ein Übergangsmetall, wie Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, Vanadium oder Zinn, oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Das Trägermaterial dient einerseits der elektrischen Anbindung des katalytischen Materials und wirkt andererseits fixierend und oberflächenvergrößernd. Funktion der GDL 26 ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten 24 mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite zu gewährleisten. Andere Ausgestaltungen der Elektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls einsetzbar. Beispielsweise können die mikroporösen Katalysatorschichten 24 statt auf der GDL 26 auch direkt auf der Membranoberfläche aufgetragen sein.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst gemäß 1 eine Anodenprozessgasversorgung 28 zur Versorgung der Anodenabschnitte der Zellen 14 mit Wasserstoff. Die Anodenprozessgasversorgung 28 weist eine Anodenprozessgasleitung 30 auf, welche einerseits mit einem Wasserstofftank 32 und andererseits mit den Anodenabschnitten der Brennstoffzelle 12 in Verbindung steht. Ein inneres anodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 leitet den zugeführten Wasserstoff H₂ den Anoden 18 der Einzelzelle 14 zu, wo dieser unter Abgabe von Elektronen zu Protonen H⁺ oxidiert wird. Über eine Anodenabgasleitung 34, die mit einem weiteren anodenseitigen inneren Kanalsystem der Bipolarplatten 22 in Verbindung steht, wird der unverbrauchte Restwasserstoff (und durch die Membran 16 diffundiertes Produktwasser) abgeführt. Eine Rezirkulationsleitung 36 verbindet die Anodenabgasleitung 34 mit der Anodenprozessgasleitung 30, sodass unverbrauchter Wasserstoff in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Anodenabgasrezirkulation ist deshalb von Vorteil, da die Brennstoffzelle 12 üblicherweise mit einem Wasserstoffüberschuss (überstöchiometrisch) gegenüber dem kathodenseitigen Sauerstoff betrieben wird, sodass der Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt wird. Der Betriebsdruck und die Rezirkulationsrate sind über entsprechende Ventile 38, 40 steuerbar.
Ferner verfügt die Brennstoffzelle 10 über eine Kathodenprozessgasversorgung 42 mit einer Kathodenprozessgasleitung 44 und einem Fördermittel 46, beispielsweise einer Pumpe, um Luft und damit Sauerstoff zu den Bipolarplatten 22 und von dort über ein kathodenseitiges Kanalsystem derselben den Kathoden 20 zuzuleiten. Über ein weiteres kathodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 und eine daran angeschlossene Kathodenabgasleitung 48 erfolgt die Ableitung der restlichen Luft und des Produktwassers.
Um eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran 16 der Einzelzellen 14 der Brennstoffzelle 12 zu erzielen, verfügt die Kathodenprozessgasversorgung 42 ferner über eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 50 zur Befeuchtung des Kathodenprozessgases (Luft) unter partieller Rückführung des kathodenseitig gebildeten und über die Kathodenabgasleitung 48 aus der Brennstoffzelle 12 ausgetragenen Produktwassers. Zu diesem Zweck ist die Befeuchtungseinrichtung 50 sowohl mit der Kathodenprozessgasleitung 44 als auch mit der Kathodenabgasleitung 48 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Anodenprozessgasversorgung 28 mit einer entsprechenden Befeuchtungseinrichtung 50 ausgestattet sein, wobei in diesem Fall das durch die Polymerelektrolytmembran 16 diffundierte und mit dem Anodenabgas ausgetragene Produktwasser zur Befeuchtung des Anodenprozessgases (Wasserstoff) genutzt wird. Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 50 wird in den 3 bis 6 näher dargestellt.
Nicht dargestellt in 1 sind weitere Komponenten der Brennstoffzelle 12, beispielsweise ein Kühlsystem, Temperatur- und Drucksensoren und dergleichen sowie elektronische Steuermittel zur Steuerung der Brennstoffzelle 12 sowie ihrer angeschlossenen Komponenten.
3 zeigt eine insgesamt mit 52 bezeichnete Struktureinheit der Befeuchtungseinrichtung 50 aus 1 nach einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Zum besseren Verständnis ist die Struktureinheit 52 auf der rechten Seite in einer Teilexplosionsdarstellung gezeigt.
Die Struktureinheit 52 ist aus den Komponenten wasserdampfdurchlässige Membrane 54, 54’, gasdurchlässige Diffusionsschichten 56, 56’, 56’’, 56’’’ und erste und zweite Strömungsschichten 58, 60 aufgebaut. Die Strömungsschichten 58 und 60 wiederum umfassen Strömungsstege 62 mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt, die beabstandet zueinander und parallel zu den Membranen 54, 54’ angeordnet sind. Durch die Abstände der Strömungsstege 62 untereinander werden Strömungskanäle 64 begrenzt und definiert. Dabei verlaufen die Strömungsstege 62 der ersten Strömungsschicht 58 und die Strömungsstege 62 der zweiten Strömungsschicht 60 vorzugsweise in einander kreuzende Richtungen, insbesondere senkrecht zueinander. In der Darstellung nach 3 verlaufen die Strömungsstege 62 und damit die Strömungskanäle 64 der ersten Strömungsschicht 58 in horizontaler Richtung und die Strömungsstege 62 und Strömungskanäle 64 der zweiten Strömungsschicht 60 in vertikaler Richtung. Die erste und die zweite Strömungsschicht 58, 60 ist dazu bestimmt und ausgebildet, unterschiedliche Gasströme zu führen, nämlich ein zu befeuchtendes, relativ wasserdampfarmes Prozessgas, welches hier in der ersten Strömungsschicht 58 geführt wird, sowie ein relativ wasserdampfreiches Feuchtgas, welches vorzugsweise in der zweiten Strömungsschicht 60 geführt wird. Dabei handelt es sich bei dem feuchtigkeitsarmen Prozessgas um das der Brennstoffzelle 12 zuzuführende Prozessgas, vorzugsweise das Kathodenprozessgas (typischerweise Luft), und bei dem Feuchtgas um ein Abgas der Brennstoffzelle, insbesondere dem Kathodenabgas, welches durch die Kathodenreaktion mit Wasserdampf angereichert ist.
Das durch die Strömungskanäle 64 der zweiten Strömungsschicht 60 strömende Feuchtgas (Kathodenabgas) diffundiert durch die Diffusionsschicht 56’’ und beaufschlagt die Membran 54’. Dabei tritt ein Teil des Wasserdampfs durch die wasserdampfpermeable Membran 54’ und reichert sich in dem relativ feuchtigkeitsarmen Prozessgas (Luft) an, welches in den Strömungskanälen 64 der ersten Strömungsschicht 58 strömt. Auf diese Weise wird das Prozessgas für die Brennstoffzelle mit Wasserdampf angereichert, um die Polymerelektrolytmembran 16 der Brennstoffzelle 12 zu befeuchten.
Die in 3 dargestellte Struktureinheit 52 stellt eine Wiederholungseinheit dar, von welcher eine Vielzahl identischer Wiederholungseinheiten zu einem Befeuchterstapel 66 angeordnet wird. Um dies zu verdeutlichen, zeigt 4 einen Teil eines solchen Stapels 66, umfassend drei Struktureinheiten 52 gemäß 3. Tatsächlich kann ein vollständiger Stapel 66 einer Befeuchtungseinrichtung 50 weitaus mehr als drei Struktureinheiten 52 umfassen, beispielsweise eine Anzahl von 20 bis 100 Struktureinheiten. Es sei angemerkt, dass typischerweise eine wesentlich größere Anzahl an Strömungsstegen 62 und Strömungskanälen 64 als dargestellt realisiert wird.
Es versteht sich, dass der Anfang und das Ende der in 3 gezeigten Struktureinheit 52 willkürlich gewählt ist. Wichtig ist lediglich, dass die Wiederholung der Struktureinheit 52 zu einem funktionellen Stapel, wie in 4 abgebildet, führt. Typischerweise endet der Befeuchterstapel 66 nicht mit einer Membran, sondern mit einer gasundurchlässigen Sperrschicht.
Es sei in diesem Zusammenhang angemerkt, dass die relativen Schichtdicken der einzelnen Schichten der Struktureinheit 52 in den 3 bis 6 und 12 bis 15 nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Insbesondere weist die Membran 54 typischerweise eine deutlich geringere Schichtdicke als die übrigen Schichten auf, beispielsweise von wenigen Mikrometern. Typische Membranschichtdicken liegen im Bereich von 1 bis 100 µm, insbesondere 1 bis 10 µm, während bevorzugte Schichtdicken der Diffusionsschichten 56 tendenziell größer sind, beispielsweise von 150 bis 500 µm, vorzugsweise von 150 bis 300 µm. Die Schichtdicken der Strömungsschichten 58, 60, das heißt die Höhe der Strömungsstege 62, betragen beispielsweise 0,3 bis 1,0 mm. Typischerweise liegen die Strömungssteghöhen bei etwa 0,5 mm, wobei anders als in den Darstellungen auch quadratische Querschnitte Einsatz finden können.
Die Diffusionsschichten 56 weisen eine gasdurchlässige Struktur auf, beispielsweise eine aus Fasern bestehende Struktur, eine offenporige Schaumstruktur oder sind als perforierte Folien ausgestaltet. Im Unterschied zu der wasserdampfpermeablen Membran sind die Diffusionsschichten 56 allgemein gasdurchlässig und gestatten einen im Wesentlichen freien Gasfluss und -austausch. Da die Abgase von Brennstoffzellen relativ hohe Temperaturen aufweisen können, muss das Material entsprechend temperaturbeständig sein. Vorzugsweise werden für die Diffusionsschichten 56 Kunststoffe verwendet, die vorzugsweise thermisch verfestigt sind. Beispielsweise können hier Kunststoffe wie Polyetherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polysulfone (PSU) und dergleichen eingesetzt werden. Die Schichtdicke, die Struktur und die Materialien der Diffusionsschicht 56 sind so gewählt, dass diese eine selbsttragende innere Stabilität aufweist. Das heißt insbesondere, dass die nicht von außen abgestützte Diffusionsschicht 56 bei aufrechter Anordnung nicht verbiegt oder abknickt.
Für die Strömungsstege 62 der Strömungsschichten 58 und 60 kommen grundsätzlich die gleichen Kunststoffe wie für die Diffusionsschichten 56 in Frage, wobei die Strömungsstege 62 vorzugsweise jedoch nicht gasdurchlässig, sondern im Wesentlichen massiv ausgebildet sind. Neben Kunststoffen kommen für die Strömungsstege 62 auch Metalle, insbesondere Leichtmetalle, wie Aluminium oder Magnesium und deren Legierungen in Frage. Bevorzugt werden jedoch selbstklebende Materialien oder heißklebende Materialien für die Strömungsstege 62 verwendet.
Bevorzugt sind die Strömungsstege 62 mit der/den benachbarten Diffusionsschichten 56 unlösbar verbunden, insbesondere sind diese Strukturelemente miteinander verschweißt oder verklebt, vorzugsweise verklebt. Vorzugsweise ist zu diesem Zweck das Material der Strömungsstege 62 selbstklebend, wofür insbesondere Haftklebstoffe, beispielsweise Synthesekautschuke auf Lösungsmittelbasis eingesetzt werden können (z.B. KIWOPRINT^® TC 2500/1 der Fa. KIWO Inc.). Wenn das Material der Strömungsstege 62 nicht selbst- oder heißklebend ist, erfolgt das Verkleben durch einen Kleber, der mit den Materialien der Strömungsstege 62 und der Diffusionsschichten 56 beziehungsweise Membrane 54 kompatibel ist. Insbesondere können Kleber auf Acrylbasis oder Silikonbasis verwendet werden.
Für die Membrane 54 kommen bekannte wasserdampfpermeable Materialien, insbesondere wasserdampfpermeable Kunststoffe, zum Einsatz. Ein bevorzugtes Material gestattet, selektiv den Übergang von Wasserdampf, ohne einen signifikanten Durchtritt von anderen Gaskomponenten zuzulassen. Bekannte Materialen, die diesem Einsatz genügen, umfassen beispielsweise Polypersulfonsäure, sulfonierte Polystyrole, Polyethersulfone, sulfonierte Polyetherketone, Polycarbonate und andere, insbesondere sulfonierte Materialien oder Mischungen von diesen. Es können grundsätzlich die gleichen Materialien wie für die Polymerelektrolytmembran 16 der Brennstoffzelle 12 verwendet werden.
Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Struktureinheit 52 ist in den 5 und 6 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der in den 3 und 4 gezeigten Struktureinheit 52 durch die Ausgestaltung der beiden äußersten Stege 68 sowohl der ersten 58 als auch der zweiten Strömungsschicht 60. Darüber hinaus und insbesondere hinsichtlich der Materialien und Abmessungen der Komponenten gelten die gleichen Ausführungen wie für die 3 und 4.
Gemäß dieser Ausführung sind die beiden äußersten Stege (Randstege) 68 mit einer gegenüber den inneren Strömungsstegen 62 wesentlich größeren Breite ausgebildet. Dabei ist die Breite so gewählt, dass durch die Randstege 68 eine Dichtfunktion nach außen erfüllt wird, um ein Austreten des Prozess- und Feuchtgases aus den Strömungsschichten 58, 60 zu verhindern. (Ein Austritt der Gase über die Diffusionsschichten nach außen wird vorzugsweise über eine hier nicht dargestellte Flachdichtungen verhindert, die von außen aufgesetzt wird.) Während typische Breiten der inneren Strömungsstege 62 im Bereich von 0,1 bis 2,0 mm, insbesondere um etwa 0,5 bis 0,8 mm liegen, betragen bevorzugte Breiten der Dichtstege 68 2 bis 20 mm, insbesondere 3 bis 15 mm, vorzugsweise 4 bis 8 mm.
Aus 6, die wiederum einen Stapel 66 aus drei Wiederholungseinheiten 52 zeigt, ist ersichtlich, dass sich hier Einheiten bestehend aus Membran, Diffusionsschicht, Strömungsschicht und wiederholen, wobei die erste Strömungsschicht und die zweite Strömungsschicht alternieren.
7 zeigt weitere Details zum Aufbau der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung 50. Demnach wird der Befeuchterstapel 66, von dem hier lediglich exemplarisch eine Struktureinheit 52 gezeigt ist, in eine Halterungskassette 70 zwischen zwei Endplatten 72 angeordnet. Dabei werden so viele Struktureinheiten 52 in die Kassette 68 aufgeschichtet, dass diese soweit gefüllt ist, dass nach Verschließen der Kassette die Einheiten 52 dichtend aufeinander anpressen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Struktureinheiten 52 oder auch Untereinheiten von dieser durch eine umlaufende Verklebung fixiert sind, wie dies in 7 durch den umlaufenden Streifen angedeutet ist.
Die Halterungskassette 70 mit dem darin befindlichen Stapel 66 wird dann in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, welches Anschlüsse für das der Brennstoffzelle zuzuführende und zu befeuchtende Prozessgas sowie für das aus der Brennstoffzelle abgeführte feuchte Abgas aufweist. Beispielsweise kann das zu befeuchtende Prozessgas durch die in 7 oben liegende offene Seitenfläche der Kassette 68 in den Stapel 66 eingeleitet und aus der unten liegenden Seite der Kassette ausgeleitet werden. Auf der anderen Seite kann das relativ feuchte Abgas der Brennstoffzelle durch die vordere offene Seite der Kassette 70 in den Stapel 66 eingeleitet und durch die in der Darstellung hinten liegende offene Seite abgeleitet werden. Zur Trennung der entsprechenden Räume kann das Gehäuse über entsprechende Dichtungen verfügen.
Anhand der 8 und 9 soll eine erste erfindungsgemäße Variante des Herstellungsprozesses der in den 3 bis 7 gezeigten Befeuchtungseinrichtungen erläutert werden. Dabei entspricht der in den 8 und 9 gezeigte Fertigungsschritt Schritt (a) (beziehungsweise Schritt (a1) oder (a2)) des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den 8 und 9 ist eine insgesamt mit 100 bezeichnete Fertigungsvorrichtung dargestellt. Die Fertigungsvorrichtung 100 umfasst verschiedene Materialrollen, nämlich eine Rolle mit einem ersten Material 162, aus dem die Strömungsstege 62 hergestellt werden, sowie zwei Rollen mit Diffusionsmaterial 156, 156’, das die Diffusionsschichten 56, 56’, 56’’, 56’’’ bildet. Eine obere und eine untere Verpress- und Vorschubrolle 102 werden von einem nicht dargestellten Antrieb angetrieben und dienen der Förderung und Abwicklung der Materialrollen 156, 156’, 162 sowie dem Anpressen der Materialbahnen.
Eine Schneideinrichtung 104, die eine Vielzahl an, die erste Materialbahn 162 durchsetzende Messern (beispielsweise rotierende Messer) aufweist, schneidet die abgewickelte Bahn des ersten Materials 162 in eine Vielzahl von Streifen 164, die längs in Bahnrichtung verlaufen. Alternativ kann das Schneiden auch mittels Lasern erfolgen. In der in den 8 und 9 gezeigten Ausführung erfolgt das Schneiden so, dass diejenigen Streifen 164, welche im fertigen Stapel 66 die Strömungsstege 62 ausbilden, mit einem vorbestimmten Abstand, welcher der Breite der zu erzeugenden Strömungskanäle 64 entspricht, aus dem ersten Material 162 ausgeschnitten werden. Die zwischen diesen verbleibenden Materialstreifen 166 werden nach unten umgelenkt und durch eine Trennrolle 106 aus dem restlichen Prozess als Verschnitt entfernt.
Sofern es sich bei dem ersten Material 162 um ein selbstklebendes Material handelt, beispielsweise einen drucksensitiven Kleber, ist dieses vorzugsweise auf eine Trägerfolie laminiert. In diesem Fall erfolgt vorzugsweise nach Passieren der Schneideinrichtung 104 ein Abtrennen und Entfernen der Trägerfolie (entsprechende Trenneinrichtung in 8 und 9 nicht dargestellt).
Ein Paar oberer und unterer Umlenkrollen 108 führt die abgewickelten Diffusionsmaterialbahnen 156, 156’ mit den Streifen 164 des ersten Materials 162 zusammen, wobei die Streifen 164 unter Beibehaltung ihres Abstands zwischen den Diffusionsmaterialbahnen 156, 156’ geschichtet werden. Durch den, mittels der Verpress- und Vorschubrollen 102 ausgeübten Anpressdruck erfolgt ein Verkleben der Streifen 164 und der Diffusionsmaterialbahnen 156, 156’ wiederum unter Beibehaltung des Abstands, mit denen die Streifen 164 aus der Materialbahn 162 ausgeschnitten wurden.
In den 8 und 9 ist ferner eine optionale Heizeinrichtung 110 dargestellt, die beispielsweise als ein Infrarotstrahler ausgebildet sein kann. Die Heizeinrichtung 110 wird für den Fall eingesetzt, dass es sich bei dem ersten Material 162 um einen Heißkleber handelt. Durch Erhitzen der aus dem Heißklebermaterial zugeschnittenen Streifen 164 schmilzt dieses auf und verbindet sich mit dem Diffusionsmaterial 156, 156’. Wird alternativ kein Heißklebermaterial, sondern ein anderer, thermoplastischer Kunststoff als erstes Material 162 eingesetzt, dann wird mittels der Heizeinrichtung 110 das Material 162 und/oder das Diffusionsmaterial 156, 156’ angeschmolzen, sodass ein Verbinden mittels Verschweißen erfolgt.
Nach noch einer weiteren Alternative wird ein an sich nicht klebendes Material 162 verwendet und dieses vorzugsweise nach dem Schneiden beidseitig mit einem Kleber beschichtet, beispielsweise besprüht.
Anhand der 10 und 11 soll eine zweite erfindungsgemäße Variante des Herstellungsprozesses der in den 3 bis 7 gezeigten Befeuchtungseinrichtungen erläutert werden. Dabei entspricht der in den 10 und 11 gezeigte Fertigungsschritt wiederum Schritt (a) (beziehungsweise (a1) oder (a2)) des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch in einer alternativen Variante gegenüber den 8 und 9. Übereinstimmente Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Auch in dieser Ausführung durchläuft die erste Materialbahn 162 zunächst die Schneideinrichtung 104, die in diesem Fall jedoch nur etwa die Hälfte der Messer aufweist, wie die in den 8 und 9 gezeigte. Nach dem Schneiden werden hier die Streifen 164 so aufgespreizt, dass sie jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, der der Breite der zu erzeugenden Strömungskanäle 64 entspricht. Das Aufspreizen erfolgt mittels einer Vielzahl orthogonal zu der Materialbahn angeordneter (vertikaler) Umlenkrollen 112. Die Breite der einzelnen Umlenkrollen 112 entspricht der Breite der zu erzeugenden Strömungskanäle 64.
Wie am besten in 11 zu erkennen ist, erfolgt das anschließende Verbinden der aufgespreizten Streifen 164 mit den Diffusionsmaterialbahnen 156, 156’ unter Beibehaltung der durch die vertikalen Umlenkrollen 112 definierten Abständen.
Das Produkt des Prozessschritts gemäß den 8 und 9 oder 10 und 11 ist ein geklebtes oder verschweißtes Gefüge in Form einer Bahn aus einer Strömungsschicht 58, 60, bestehend aus einer Vielzahl durch die Streifen 164 gebildeter Strömungsstege 62 und dazwischen liegenden Strömungskanälen 64, und zwei beidseitig die Strömungsschicht 58, 60 beschichtende die Diffusionsschichten 56.
In einem anschließenden Prozessschnitt wird das so erhaltene Gefüge zunächst auf ein gewünschtes Endmaß entsprechend dem zu erzeugenden Befeuchterstapel 66 zugeschnitten. Nachfolgend werden die so erhaltenen Zuschnitte abwechselnd mit jeweils einer ebenfalls bereits auf Endmaß zugeschnittenen wasserdampfpermeablen Membran 54 zu einem Stapel 66 geschichtet. Dabei wird vorzugsweise jeder zweite Zuschnitt des Diffisionsschicht/Strömungsschicht-Gefüges um 90° gedreht angeordnet, um so die in den 3 bis 6 gezeigte Kreuzstromführung der Strömungsschichten 58 und 60 zu erzeugen.
In einer alternativen Vorgehensweise wird das gemäß den 8 und 9 oder 10 und 11 erhaltene Gefüge in Form einer Bahn mit einer Bahn eines Membranmaterials geschichtet (laminiert). Dieser Schritt wird bevorzugt in dem Fertigungsprozess nach den 8 bis 11 integriert, wofür nachfolgend den Verpress- und Vorschubrollen 102 beispielsweise ein weiteres Paar horizontaler Rollen angeordnet ist, welche die Membranbahn mit dem zuvor erzeugten Gefüge zusammenführt und diese Komponenten miteinander verpresst. Anschließend erfolgt der Zuschnitt dieses Laminats auf das gewünschte Endmaß und die Schichtung dieser Zuschnitte zu einem Befeuchterstapel 66. Dabei wird vorzugsweise wiederum jeder zweite Zuschnitt des Diffisionsschicht/Strömungsschicht/Membran-Gefüges um 90° gedreht angeordnet, um so die in den 3 bis 6 gezeigte Kreuzstromführung der Strömungsschichten 58 und 60 zu erzeugen.
Die 12 und 13 zeigen eine Wiederholungseinheit 52 und einen Befeuchterstapel 66 nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Membrane 54, 54’ lediglich auf einer ihrer Flachseiten durch eine Diffusionsschicht 56, 56’ abgestützt sind. Selbstverständlich können auch in dieser Ausführung die jeweils äußeren Strömungsstege mit einer größeren Breite als die inneren Strömungsstege ausgeführt sein, sodass diese als Dichtstege 68 analog der Ausgestaltung nach den 5 und 6 fungieren.
Die Herstellung der in 12 und 13 gezeigten Ausführung kann in einem Rollenprozess analog den 8 bis 11 erfolgen. Dabei wird einerseits eine Schicht Strömungsstege 62 zwischen zwei Bahnen des Diffusionsmaterials 56, 56’ laminiert und andererseits eine Schicht Strömungsstege 62 zwischen zwei Bahnen des Membranmaterials 54, 54’ laminiert. Anschließend erfolgt wiederum die Konfektionierung des Gefüges Diffusionsschicht 56 / zweite Strömungsschicht 60 / Diffusionsschicht 56’ sowie des Gefüges Membranschicht 54 / erste Strömungsschicht 58 / Membranschicht 54’ und anschließend wechselweises Schichten dieser zugeschnittenen Gefüge zu einem Stapel.
Die 14 und 15 zeigen eine Wiederholungseinheit 52 und einen Befeuchterstapel 66 nach einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Membrane 54, 54’ auch hier lediglich auf einer ihrer Flachseiten durch eine Diffusionsschicht 56, 56’ abgestützt sind. Selbstverständlich können auch in dieser Ausführung die jeweils äußeren Strömungsstege mit einer größeren Breite als die inneren Strömungsstege ausgeführt sein, sodass diese als Dichtstege 68 analog der Ausgestaltung nach den 5 und 6 fungieren.
Die Herstellung der in 14 und 15 gezeigten Ausführung kann in einem Rollenprozess analog den 8 bis 11 erfolgen. Dabei wird eine Schicht Strömungsstege zwischen jeweils einer Bahn des Diffusionsmaterials und einer Bahn des Membranmaterials laminiert. Anschließend erfolgt wiederum die Konfektionierung des Gefüges Diffusionsschicht 56, 56’ / Strömungsschicht 58, 60 / Membranschicht 54, 54’ und anschließend Schichten dieser zugeschnittenen Gefüge zu einem Stapel.
Die vorstehend anhand der 3 bis 6 und 12 bis 15 dargestellten Befeuchtungseinrichtungen weisen verschiedene vorteilhafte Eigenschaften auf:

– Die Befeuchtungseinrichtung verfügt über eine extrem kompakte Auslegung bei geringem Gewicht.
– Die Befeuchtungseinrichtung verfügt über eine große volumenbezogene Austauschfläche für Wasserdampf und damit eine hohe Übertragungsrate der Feuchtigkeit. Insbesondere weist sie typischerweise eine Übertragungsfläche von etwa 1 m² / l auf.
– Die Struktureinheit, insbesondere das Gefüge aus Diffusionsschicht(en) und Strömungsstegen, lässt sich in einem standardisierten Rollenprozess großtechnisch und günstig herstellen.
– Für sämtliche Materialien, insbesondere für die Diffusionsschichten, die Strömungsstege sowie die verwendeten Kleber und Dichtungen können günstige und leicht verfügbare Standardmaterialien verwendet werden.
– Die Befeuchtungseinrichtung weist trotz Ihrer hohen Kompaktheit geringe Druckverluste auf der Prozessgasseite wie auch auf der Abgasseite auf.

Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenanordnung
12: Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle)
14: Einzelzelle
16: Polymerelektrolytmembran
18: Anode
20: Kathode
22: Bipolarplatte
24: Katalysatorschicht
26: Gasdiffusionsschicht
28: Anodenprozessgasversorgung
30: Anodenprozessgasleitung
32: Wasserstofftank
34: Anodenabgasleitung
36: Rückführungsleitung
38: Ventil
40: Ventil
42: Kathodenprozessgasversorgung
44: Kathodenprozessgasleitung
46: Luftfördermittel
48: Kathodenabgasleitung
50: Befeuchtungseinrichtung
52: Struktureinheit
54: wasserdampfpermeable Membran
56: Diffusionsschicht
58: erste Strömungsschicht
60: zweite Strömungsschicht
62: Strömungsstege
64: Strömungskanäle
66: Befeuchterstapel
68: Dichtstege
70: Halterungskassette
72: Endplatte
100: Fertigungseinrichtung
102: Verpress- und Vorschubrollen
104: Schneideinrichtung
106: Trennrolle
108: Umlenkrollen, horizontal
110: Heizeinrichtung
112: Umlenkrollen, vertikal
156: Diffusionsmaterial
162: erstes Material
164: Streifen
168: verbleibende Materialstreifen/ Verschnitt

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

US 2008/0241636 A1 [0005]
DE 102008016087 A1 [0005]
US 2009/0092863 A [0006]
DE 102009034095 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung von Prozessgasen, wobei die Befeuchtungseinrichtung (50) einen Befeuchterstapel (66) mit einer Vielzahl wasserdampfpermeabler Membrane (54), Diffusionsschichten (56) sowie Strömungsschichten (58, 60), jeweils umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege (62), welche Strömungskanäle (64) begrenzen, wobei (a) in einem Rollenprozess eine Bahn eines ersten Materials (162) in Längsrichtung geschnitten wird, sodass eine Vielzahl Streifen (164) erzeugt wird, und wenigstens ein Teil der Streifen (164) beabstandet zueinander beidseitig mit jeweils einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156, 156’) verbunden wird unter Ausbildung der Strömungsstege (62) und Strömungskanäle (64) einer Strömungsschicht (58, 60), und anschließend entweder (b1) das Gefüge aus Schritt (a) zugeschnitten wird und (c1) die Zuschnitte aus Schritt (b1) abwechselnd mit jeweils einer wasserdampfpermeablen Membran (54) zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden, oder (b2) das Gefüge aus Schritt (a) mit einer Bahn eines Membranmaterials geschichtet wird und (c2) das in Schritt (b2) erhaltene Gefüge zugeschnitten wird und die so erhaltenen Zuschnitte zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung von Prozessgasen, wobei die Befeuchtungseinrichtung (50) einen Befeuchterstapel (66) mit einer Vielzahl wasserdampfpermeabler Membrane (54), Diffusionsschichten (56) sowie Strömungsschichten (58, 60), jeweils umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege (62), welche Strömungskanäle (64) begrenzen, wobei (a1) in einem Rollenprozess eine Bahn eines ersten Materials (162) in Längsrichtung geschnitten wird, sodass eine Vielzahl Streifen (164) erzeugt wird, und wenigstens ein Teil der Streifen (164) beabstandet zueinander beidseitig mit jeweils einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156, 156’) verbunden wird unter Ausbildung der Strömungsstege (62) und Strömungskanäle (64) einer Strömungsschicht (58, 60), und (a2) in einem Rollenprozess eine Bahn eines ersten Materials (162) in Längsrichtung geschnitten wird, sodass eine Vielzahl Streifen (164) erzeugt wird, und wenigstens ein Teil der Streifen (164) beabstandet zueinander beidseitig mit jeweils einer Bahn eines Membranmaterials verbunden wird unter Ausbildung der Strömungsstege (62) und Strömungskanäle (64) einer Strömungsschicht (58, 60), und (b) das Gefüge aus Schritt (a1) und das Gefüge aus Schritt (a2) jeweils zugeschnitten werden und (c) die Zuschnitte aus Schritt (b) miteinander abwechselnd zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung von Prozessgasen, wobei die Befeuchtungseinrichtung (50) einen Befeuchterstapel (66) mit einer Vielzahl wasserdampfpermeabler Membrane (54), Diffusionsschichten (56) sowie Strömungsschichten (58, 60), jeweils umfassend eine Vielzahl beabstandet zueinander angeordneter Strömungsstege (62), welche Strömungskanäle (64) begrenzen, wobei (a) in einem Rollenprozess eine Bahn eines ersten Materials (162) in Längsrichtung geschnitten wird, sodass eine Vielzahl Streifen (164) erzeugt wird, und wenigstens ein Teil der Streifen (164) beabstandet zueinander beidseitig mit einer Bahn eines gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156) sowie einer Bahn eines Membranmaterials verbunden wird unter Ausbildung der Strömungsstege (62) und Strömungskanäle (64) einer Strömungsschicht (58, 60), (b) das Gefüge aus Schritt (a) zugeschnitten wird und (c) die Zuschnitte aus Schritt (b) zu einem Befeuchterstapel (66) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Schritt (a) beziehungsweise (a1) und (a2) das Schneiden des ersten Materials (162) so erfolgt, dass die später die Strömungsstege (62) ausbildenden Streifen (164) mit einem vorbestimmten Abstand zueinander aus dem Material (162) ausgeschnitten werden und mit den Bahnen des gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156) und/oder des Membranmaterials unter Beibehaltung dieses Abstands verbunden werden und die zwischen den, die Strömungsstege (62) ausbildenden Streifen (164) verbleibenden Materialstreifen (168) vor dem Verbinden entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in Schritt (a) beziehungsweise (a1) und (a2) nach dem Schneiden die Streifen (164) so aufgespreizt werden, dass sie jeweils einen vorbestimmten Abstand zueinander aufweisen, und mit diesem Abstand mit den Bahnen des gasdurchlässigen Diffusionsmaterials (156) und/oder des Membranmaterials verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (a) beziehungsweise (a1) und (a2) die beiden, später die äußersten Stege (62) ausbildenden Streifen (164) mit einer Breite geschnitten werden, die größer ist als eine Breite der inneren Streifen (164).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt (c) beziehungsweise (c1) und (c2) das Verfügen der Zuschnitte so erfolgt, dass in dem Befeuchterstapel (66) die Strömungsstege (62) einer ersten Strömungsschicht (58) in gekreuzter Richtung zu den Strömungsstegen (62) einer zweiten Strömungsschicht (60) verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streifen (164) einer Strömungsschicht (58, 60) mit dem Diffusionsmaterial (156) und/oder des Membranmaterials durch Verkleben oder Verschweißen verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (162) ein beidseitig selbstklebendes Material oder ein mit beidseitig einer selbstklebenden Materialschicht beschichtetes Material ist, insbesondere ein drucksensitiver Klebstoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Material (162) auf einer Trägerschicht beschichtet ist und die Trägerschicht vor dem Verbinden mit dem Diffusionsmaterial (156) entfernt wird, vorzugsweise nach dem Schneiden.
Befeuchtungseinrichtung (50) für eine Brennstoffzelle (12) umfassend einen Befeuchterstapel (66), herstellbar mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Befeuchtungseinrichtung (50) nach Anspruch 11, wobei die jeweils äußersten Strömungsstege (68) der Strömungsschichten (58, 60) eine Breite aufweisen, die größer ist als eine Breite der dazwischen liegenden inneren Strömungsstege (62).