DE102013004637A1

DE102013004637A1 - Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung eines Prozessgases, Brennstoffzellenanordnung umfassend eine solche sowie Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013004637A1
Application number: DE102013004637.8A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Dr.-Ing. Purmann Mathias
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-03-16
Filing date: 2013-03-16
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung (320) zur Befeuchtung eines Prozessgases, insbesondere für Brennstoffzellen (110), umfassend ein erstes Strömungssystem (322) zur Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, ein zweites Strömungssystem (323) zur Leitung eines Feuchtgases, sowie ein wasserdampfpermeables Element (321), welches das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas voneinander trennt und einen Übertritt von Wasserdampf ermöglicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste und zweite Strömungssystem (322, 323) so ausgebildet sind, dass bezüglich einer Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases in einem stromabwärtigen Abschnitt (329) das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas im Wesentlichen in Gleichstromführung zueinander geführt werden und in einem stromaufwärtigen Abschnitt (328) der Befeuchtungseinrichtung (50) in einer von der Gleichstromführung abweichenden Strömungsführung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung eines Prozessgases, insbesondere für Brennstoffzellen, eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche Befeuchtungseinrichtung umfasst sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung.
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 ionenleitenden, insbesondere 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 unter Abgabe von Elektronen stattfindet (z. B. H₂ → 2H⁺ + 2e^–). 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, so dass eine Reduktion von Sauerstoff unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (1/2O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die gebildeten Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O). 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.
Es sind interne Befeuchter bekannt, welche die Befeuchtung des Prozessgases innerhalb der Brennstoffzelle vornehmen. Beispielsweise beschreiben WO 98/45889 A1 und DE 10 2005 025 914 A Brennstoffzellen mit interner Wasserzuführung, bei denen die Bipolarplatten, welche die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels trennen und die Prozessgase den Anoden und Kathoden zuführen, zur Befeuchtung des Prozessgases ausgebildet sind.
Des Weiteren ist bekannt, externe, der Brennstoffzelle vorgeschaltete Befeuchtungseinrichtungen einzusetzen, um das der Brennstoffzelle zuzuführende Prozessgas, zumeist die den Kathodenräumen zuzuführende Luft, zu befeuchten. Dabei wird insbesondere ein Teil der aus dem Stapel mit der Abluft der Kathodenräume ausgetragenen Feuchtigkeit rückgeführt. Die Strategie der Feuchtigkeitsrückführung wird für PEM-Brennstoffzellen entweder im Wege der Diffusion von Wasser über wasserdampfpermeable Membranen 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 zu befeuchten. Auf diese Weise wird nicht nur die Austrocknung der Membran 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 das ein zu befeuchtendes Gasgemisch im Gegenstrom strömt, eingeschlossen werden. Die Leitungen bestehen aus einem wasserdampfdurchlässigen Membranmaterial.
Aus DE 10 2009 005 685 A1 ist eine externe Membran-Befeuchtungseinrichtung bekannt, die einen Stapel von Wellplatten mit jeweils einer dazwischen angeordneten Membran aufweist. Durch die Wellplatten werden Strömungskanäle ausgebildet, welche teilweise von dem feuchten Kathodenabgas und teilweise von der zu befeuchtenden Kathodenluft durchströmt werden. Die Membran ist beidseitig von jeweils einer Schicht eines hydrophilen Diffusionsmediums kontaktiert, das einerseits das Wasser aufnehmen und zur bzw. von der Membran transportieren soll und andererseits die Membran strukturell abstützen soll. Die Strömungsführung ist nach dem Gegenstromprinzip realisiert.
US 2009/0092863 A ( DE 10 2008 050 507 A1 ) beschreibt einen Membranbefeuchter, der einen Stapel abwechselnder Nassplatten (wet plates) und Trockenplatten (dry plates) aufweist, zwischen denen jeweils eine wasserdampfpermeable Membran angeordnet ist. Jede Nass- und Trockenplatte besteht aus zwei Gasdiffusionsschichten, zwischen denen Stege angeordnet sind, die 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. Die Strömungsführung ist nach dem Kreuzstromprinzip realisiert.
DE 10 2005 028 717 A1 beschreibt einen externen Befeuchter für eine Brennstoffzelle, bei dem die zu befeuchtende Prozessluft im Inneren von Hohlfasermembranen geführt wird, welche von der feuchten Abluft der Brennstoffzelle im Gegenstrom umströmt werden. Alternativ kann die Strömungsführung im Gleich- oder im Kreuzstrom erfolgen.
Problematisch in üblichen externen Befeuchtungseinrichtungen ist die Einhaltung einer definierten Feuchte des Prozessgases. Um diese zu gewährleisten, ist üblicherweise eine Bypassleitung mit einem aktiv steuerbaren Bypassventil vorgesehen, so dass das zu befeuchtende Prozessgas den Befeuchter umgehen kann (s. 2). Abhängig vom Öffnungsgrad des Bypassventils wird das in die Brennstoffzelle einströmende Prozessgas, zumeist die Luft für die Kathodenräume, befeuchtet. Die Einstellung einer definierten Feuchte erfordert somit eine Regeleinheit, ein Bypassventil sowie die notwendige Verrohrung (Bypassleitung). Diese Komponenten erhöhen die Systemkomplexität und Kosten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine externe Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung eines Prozessgases, insbesondere von Brennstoffzellen, vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Befeuchtern eine verringerte Komplexität aufweist und dennoch eine definierte Befeuchtung von Prozessgasen unabhängig von einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle, d. h. einer aktuellen elektrischen Last, gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung eines Prozessgases, eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche Befeuchtungseinrichtung umfasst, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung eines Prozessgases, insbesondere für Brennstoffzellen, umfasst ein erstes Strömungssystem zur Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, vorzugsweise von Luft für Kathodenräume einer Brennstoffzelle oder von Brennstoff für die Anodenräume. Die Befeuchtungseinrichtung umfasst ferner ein zweites Strömungssystem zur Leitung eines Feuchtgases, das insbesondere das Kathoden- oder Anodenabgas einer Brennstoffzelle ist. Die Befeuchtungseinrichtung umfasst ferner ein wasserdampfpermeables Element, welche das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas voneinander trennt und den Übertritt von Wasserdampf ermöglicht. Erfindungsgemäß sind das erste, prozessgasführende und das zweite, feuchtgasführende Strömungssystem so ausgebildet, dass bezüglich einer Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases in einem stromabwärtigen Abschnitt das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas in Gegenstromführung zueinander geführt werden. Ferner sind das erste und das zweite Strömungssystem so ausgebildet, dass bezüglich einer Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases in einem stromaufwärtigen Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung das Prozessgas und das Feuchtgas in einer von der Gleichstromführung abweichenden Strömungsführung geführt werden.
Die Gleichstromführung zeichnet sich dadurch aus, dass sie von allen denkbaren Strömungsführungen den geringsten Wirkungsgrad bezüglich des maximal möglichen Wasserdampfübergangs aufweist. Durch die Gleichstromführung der beiden Gasströme in dem stromabwärtigen Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung wird somit eine passive Begrenzung der Feuchtigkeitsübertragung erzielt. Auf der anderen Seite weist der stromaufwärtige Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung, in welchem eine von der Gleichstromführung abweichende Strömungsführung realisiert ist, einen höheren Wirkungsgrad hinsichtlich des Wasserdampfübergangs von dem Feuchtgas auf das Prozessgas auf, so dass in diesem Abschnitt eine schnelle und damit bauraumsparende Befeuchtung des Prozessgases erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung wird somit eine übermäßige Befeuchtung des Prozessgases verhindert, ohne den erforderlichen Bauraum über Gebühr zu vergrößern. Gleichzeitig entfällt das Erfordernis einer Bypassleitung und eines Bypassventils um den Befeuchter sowie der Steuerung hierfür. Die Systemkomplexität wird durch die erfindungsgemäße Verbesserung der Strömungsführung somit verringert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die Befeuchtung unabhängig von den Volumenströmen der Gasströme in der Befeuchtungseinrichtung und somit unabhängig von einem aktuellen Betriebspunkt der Brennstoffzelle ist.
Unter Gleichstromführung wird vorliegend verstanden, dass die beiden Gasströme bezüglich ihrer Strömungsrichtungen im Wesentlichen gleichgerichtet sind, das heißt ihre Strömungsrichtungen höchstens um ±10°, vorzugsweise höchstens um ±5° voneinander abweichen. Auf der anderen Seite wird unter einer „von der Gleichstromführung abweichenden Strömungsführung”, der im stromaufwärtigen Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung aus Sicht des zu befeuchtenden Prozessgases realisiert ist, verstanden, dass die Strömungsrichtungen der beiden Gasströme um mehr als ±10° voneinander abweichen, insbesondere um mindestens ±45°, vorzugsweise um mindestens ±90°.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die von der Gleichstromführung abweichende Strömungsführung in dem stromaufwärtigen Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung als Gegenstromführung und/oder als Kreuzstromführung ausgebildet. Beide Stromführungen zeichnen sich gegenüber der stromabwärtigen Gleichstromführung durch einen höheren Stoffübergangswirkungsgrad aus und sind konstruktiv besonders einfach darzustellen. Vorzugsweise erfolgt die Strömungsführung in dem stromaufwärtigen Abschnitt als Gegenstromführung, welche einen maximalen Stoffübergangswirkungsgrad aufweist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Verhältnis des in Gleichstromführung ausgebildeten stromabwärtigen Abschnitts zu dem in abweichender Strömungsführung ausgebildeten stromaufwärtigen Abschnitt 0,1:1 bis 0,5:1, das heißt 10 bis 50% der gesamten Strömungsführung des Befeuchters bezüglich einer aktiven Fläche des wasserdampfpermeablen Elements erfolgen in Gleichstrom und 90 bis 50% erfolgen in der abweichenden Strömungsführung. Insbesondere beträgt das Verhältnis 0,2:1 bis 0,5:1, das heißt 20 bis 50% Gleichstromführung und 80 bis 50% abweichende Strömungsführung.
Bei dem wasserdampfpermeablen Element kann es sich grundsätzlich um eine Schicht eines porösen Materials handeln, bei dem der Wasserdampfübergang nach dem Kapillarprinzip durch feinste Kanalstrukturen erfolgt. Vorzugsweise ist das wasserdampfpermeable Element jedoch in Form einer wasserdampfpermeablen Membran ausgestaltet, bei der der Wasserdampfübergang nach dem Diffusionsprinzip erfolgt. Vorteil von wasserdampfpermeablen Membranen ist ihr geringer Bauraumbedarf. Aus Materialsicht eignen sich grundsätzlich ionenleitfähige Polymerelektrolytmembrane, die auch für die Membran-Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle selbst verwendet werden, beispielsweise ein unter der Handelsbezeichnung Nafion^® verbreitetes Polymer.
In besonders bevorzugter Ausbildung der Erfindung weist die Befeuchtungseinrichtung als Kernkomponente einen Stapel schichtweise sich wiederholender Komponenten auf. Ein solcher Stapel umfasst:

a) eine Vielzahl wasserdampfpermeabler Membranen,
b) jeweils eine, auf einer ersten Seite der Membrane angeordnete erste Strömungsschicht zur Leitung des zu befeuchtenden Prozessgases und
c) jeweils eine, auf einer zweiten Seite der Membrane angeordnete zweite Strömungsschicht zur Leitung des Feuchtgases.

Eine solche Stapelanordnung weist den Vorteil auf, dass die erfindungsgemäße Kombination der unterschiedlichen Strömungsführungen einfach dargestellt werden kann, indem die Lufteinleitung in den jeweiligen ersten und zweiten Strömungsschichten aus beliebigen Richtungen erfolgt bzw. die ersten und zweiten Strömungsschichten verdreht zueinander angeordnet werden. Vorzugsweise weisen die erste und die zweite Strömungsschicht jeweils eine Vielzahl parallel zur Membran verlaufender Strömungskanäle auf. Diese können beispielsweise durch eine Vielzahl von Strömungsstege, welche die Strömungskanäle begrenzen, definiert werden.
Vorzugsweise ist zwischen der, das Feuchtgas führenden zweiten Strömungsschicht und der Membran jeweils eine gasdurchlässige Stützschicht angeordnet. Auf diese Weise wird auf der Niederdruckseite der Membran diese durch die Stützschicht abgestützt, so dass die Membran vor einem Durchwölben in Richtung der Niederdruckseite bewahrt wird und Beschädigungen vermieden werden. Möglich ist ferner, eine solche Stützschicht auf beiden Seiten der Membran vorzusehen. Die gasdurchlässige Stützschicht kann als Vlies ausgebildet sein oder als Stützfolie mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen. Eine solche Stützfolie hat den Vorteil eines besonders geringen Bauraumbedarfs.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Befeuchtungseinrichtung ferner ein Gehäuse auf, das ausgebildet ist, das erste Strömungssystem zur Leitung des zu befeuchtenden Prozessgases mit einer Prozessgasleitung zu verbinden, insbesondere mit einer Prozessgasleitung für eine Brennstoffzelle. Das Gehäuse ist ferner ausgebildet, das zweite Strömungssystem zur Leitung des Feuchtgases mit einer Feuchtgasleitung zu verbinden, insbesondere mit einer Abgasleitung einer Brennstoffzelle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, welche einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Kathoden- und Anodenabschnitten umfasst, eine Anodenprozessgasversorgung 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 bzw. des Anodenprozessgases.
Zu diesem Zweck stehen das Kathoden- bzw. Anodenprozessgas in Strömungsverbindung vorzugsweise mit dem ersten Strömungssystem der Befeuchtungseinrichtung und das Kathoden- bzw. Anodenabgas in Strömungsverbindung mit dem zweiten Strömungssystem.
Die Brennstoffzellenanordnung wird insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Somit betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung als Traktionsquelle.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Befeuchtungseinrichtung gemäß Stand der Technik;
2 eine Brennstoffzelle aus 1 in einer schematischen Schnittansicht;
3 Prinzipdarstellung verschiedener Strömungsführungen (Gegenstrom, Kreuzstrom, Gleichstrom);
4 Verläufe des Befeuchtungswirkungsgrads in Abhängigkeit von dem Volumenstrom des trockenen Luftanteils des zu befeuchtenden Prozessgases für Gegenstrom-, Kreuzstrom- und Gleichstromführung;
5 schematische Schnittansichten durch eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung (Ausschnitt) und
6 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung 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. Geeignete Materialien umfassen hydrophile Polymere und Polymerkomposite, beispielsweise Polyperfluorsulfonsäure, die etwa unter der Handelsbezeichnung Nafion^® erhältlich ist.
Der Begriff „Prozessgas” bezeichnet ein relativ wasserdampfarmes (trockenes) Gas oder Gasgemisch, beispielsweise ein der Kathode einer Brennstoffzelle zuzuführendes Gas oder Gasgemisch, insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch wie Luft, und/oder ein der Anode zuzuführendes Gas oder Gasgemisch, insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch.
Des Weiteren bezeichnet der Begriff „Feuchtgas” ein relativ wasserdampfarmes Gas oder Gasgemisch, dessen Feuchtigkeitsgehalt größer als der des Prozessgases ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Feuchtgas um ein aus dem Kathoden- und/oder den Anodenraum einer Brennstoffzelle abgeführtes relativ wasserdampfreiches (feuchtes) Gas oder Gasgemisch.
Der grundsätzliche Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzellenanordnung gemäß Stand der Technik wird zunächst anhand der 1 und 2 erläutert.
In 1 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Brennstoffzellenanordnung dargestellt, welche einen Brennstoffzelleabschnitt 100, eine Anodenprozessgasversorgung 200, eine Kathodenprozessgasversorgung, einem Kühlsystem 400 sowie eine Steuerung 500 umfasst.
Der Brennstoffzelleabschnitt 100 weist einen Brennstoffzellenstapel 110 (auch einfach Brennstoffzelle genannt) auf, der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen umfasst, von der hier lediglich exemplarisch eine angedeutet ist.
Details der Brennstoffzelle 110 mit zwei exemplarischen Einzelzellen sind in 2 näher dargestellt. Jede Einzelzelle weist eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die jeweils eine ionenleitenden, insbesondere protonenleitende Polymerelektrolytmembran 111 (beispielsweise eine Polyperfluorsulfonsäure-Membran der Handelsbezeichnung Nafion^®) umfasst sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden, nämlich eine Anode 112 und eine Kathode 113. Die Elektroden weisen eine mikroporöse Katalysatorschicht auf, die ein kohlenstoffhaltiges oder gänzlich aus Kohlenstoff (Graphit) bestehendes Trägermaterial umfasst. Auf dem Trägermaterial liegt ein katalytisches Material geträgert vor, 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. Die Membran-Elektroden-Einheiten werden von zwei Gasdiffusionsschichten 114 sandwichartig eingeschlossen, die eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten der Elektroden 112, 113 mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite gewährleisten. Die katalytischen Schichten der Elektroden 112, 113 können als Verbund mit jeweils einer Gasdiffusionsschicht 114 ausgebildet sein, d. h. als so genannte Gasdiffusionselektroden.
Ferner umfassen die Einzelzellen zwischen jeweils zwei MEAs angeordnete Bipolarplatten 115, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung der Abgase sowie des Produktwassers sorgen. Zu diesem Zweck weisen die Bipolarplatten 115 eine Vielzahl von offenen Transportkanälen 116 auf, die der Zufuhr der Prozessgase (üblicherweise im Fall der Anode Wasserstoff und im Fall der Kathode Sauerstoff bzw. Luft) und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Die Bipolarplatten 115 weisen zudem eingeschlossene Kühlmittelkanäle 117 zur Kühlung des Stapels 110 auf. Ferner trennen sie die einzelnen MEAs im Brennstoffzellenstapel 110 gasdicht voneinander.
Die beiden endständigen Bipolarplatten 115 werden teilweise auch als Monopolarplatten bezeichnet.
Eine Abdichtung der Einzelzellen wird durch Dichtmittel 118 gewährleistet. Die Einzelzellen des Stapels werden zwischen Endplatten 119 gehalten und durch entsprechende Zugstangen 120 und Verschraubungen 121 zusammen gepresst.
Der den Anoden 112 zugeführten Wasserstoff H₂ wird unter Abgabe von Elektronen zu Protonen H⁺ oxidiert. Die Elektronen werden über einen elektrischen Stromkreis 101 den Kathoden 114 zugeführt, um den dort eingeleiteten Sauerstoff unter Entstehung von Wasser zu reduzieren.
Die Anodenprozessgasversorgung 200 in 1 dient der Versorgung der Anoden 112 der Brennstoffzelle 110 mit einem Brennstoff, insbesondere mit Wasserstoff. Die Anodenprozessgasversorgung 200 umfasst eine Anodenprozessgasleitung 202, welche einerseits mit einem Brennstofftank 201, insbesondere einem Wasserstofftank, und andererseits mit den Anodenabschnitten 112 der Brennstoffzelle 110 in Verbindung steht. Eine Ableitung des Anodenabgases, welches unverbrauchten Restwasserstoff sowie durch die Membran 111 diffundiertes Produktwasser enthält, erfolgt über eine Anodenabgasleitung 203. Eine Rezirkulationsleitung 204 verbindet die Anodenabgasleitung 203 mit der Anodenprozessgasleitung 202, so dass unverbrauchter Wasserstoff in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Zuvor erfolgt eine Abscheidung des Kondensats über ein Kondensatablassventil 209. Die Anodenabgasrezirkulation ist deshalb von Vorteil, da die Brennstoffzelle 110 üblicherweise mit einem Wasserstoffüberschuss (überstöchiometrisch) gegenüber dem kathodenseitigen Sauerstoff betrieben wird, so dass der Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt wird. Der Betriebsdruck an den Anoden 112 wird über entsprechende Ventile 205, 207 und 208 in Abhängigkeit von einer an der Brennstoffzelle 110 anliegenden elektrischen Last gesteuert oder geregelt.
Die Kathodenprozessgasversorgung 300 der Brennstoffzellenanordnung 10 weist eine Kathodenprozessgasleitung (Luftleitung) 301 auf sowie Fördermittel (Kompressor 304), um Luft und damit Sauerstoff zu den Kathoden 113 der Brennstoffzelle 110 zu leiten. Über eine Kathodenabgasleitung 302 erfolgt die Ableitung der Abluft und des Produktwassers aus den Kathodenräumen.
Um eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran 111 der Brennstoffzelle 110 zu erzielen, verfügt die Kathodenprozessgasversorgung 300 ferner über eine Befeuchtungseinrichtung 320 zur Befeuchtung des Kathodenprozessgases (Luft) unter partieller Rückführung des kathodenseitig gebildeten und über die Kathodenabgasleitung 302 aus der Brennstoffzelle 110 ausgetragenen Produktwassers. Zu diesem Zweck ist die Befeuchtungseinrichtung 320 sowohl mit der Kathodenprozessgasleitung 301 als auch mit der Kathodenabgasleitung 302 verbunden. Da die Steuerung des Luft-Volumenstroms lastabhängig erfolgt, werden in der Befeuchtungseinrichtung 320 keine konstanten Feuchten der zu befeuchtenden Kathodenluft erzielt. Aus diesem Grund weist die Kathodenprozessgasleitung 301 der Kathodenprozessgasversorgung 300 des Standes der Technik ferner eine Bypassleitung 309 auf, welche die Befeuchtungseinrichtung 320 überbrückt. Durch ein in der Bypassleitung 309 installiertes Bypassventil 310 wird der Anteil der den Befeuchter 320 durchströmenden Luft gesteuert. Je nach Öffnungsgrad des Bypassventils 310 wird die in die Brennstoffzelle 110 einströmende Luft befeuchtet. Bei geschlossenem Bypassventil 310 wird die gesamte, der Brennstoffzelle 110 zugeführte Luft durch den Befeuchter 320 geführt und befeuchtet und bei vollständig geöffnetem Ventil 310 umgeht die vollständige Luft den Befeuchter 320. Die Regelung des Bypassventils 310 kann modellbasiert oder durch Sensoren erfolgen, welche den Grad der Befeuchtung anzeigen.
Das Kühlsystem 400 der Brennstoffzellenanordnung 10 weist einen Kühlmittelkreislauf 401 auf, das an die Kühlmittelkanäle 117 der Bipolarplatten 115 der Brennstoffzelle 110 (siehe 2) angeschlossen ist und in dem ein Kühlmittel mittels einer Pumpe 406 zirkuliert. Das Kühlmittel führt die Reaktionswärme aus der Brennstoffzelle 110 ab und wird in einem Kühler 402 beispielsweise durch ein Gebläse 403 gekühlt.
Die Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzellenanordnung 10 erfolgt über die Steuerung 500, welche die einzelnen Komponenten (Ventile, Pumpen etc.) steuert. Hierfür weist die Steuerung 500 eine entsprechende Sensorik auf sowie eine elektronische Steuereinrichtung, in der notwendige Steueralgorithmen sowie Kennfelder gespeichert vorliegen. Insbesondere steuert oder regelt die Steuerung 500 die Prozessgasvolumenströme der Brennstoffzelle 110 in Abhängigkeit von einer aktuellen elektrischen Last. Wie bereits erwähnt, steuert die Steuerung 500 ferner das Bypassventil 310, um den Luft-Volumenstrom in der Befeuchtungseinrichtung 320 und somit eine definierte Luftfeuchte für die Kathodenabschnitte 113 der Brennstoffzelle 110 einzustellen. Das Erfordernis der Bypassleitung 309, des Bypassventils 310 sowie seine Steuerung oder Regelung erhöht die Komplexität des Systems sowie den Bauraumbedarf.
Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 320 gelöst, die eine verbesserte Strömungsführung der zu befeuchtenden Luft und der feuchten Kathodenabluft vorsieht. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung vor, dass (aus Sicht der Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases, insbesondere der Kathodenzuluft) in einem stromaufwärtigen Abschnitt der Befeuchtungseinrichtung 320 zunächst eine Strömungsführung mit einem relativ großem Befeuchtungswirkungsgrad realisiert ist und in einem stromabwärtigen Abschnitt eine Strömungsführung mit einem geringen Befeuchtungswirkungsgrad. Insbesondere liegt in dem stromabwärtigen (hinteren) Abschnitt eine Gleichstromführung vor, während in dem stromaufwärtigen Abschnitt eine von der Gleichstromführung abweichende Strömungsführung ausgebildet wird, vorzugsweise eine Kreuzstrom- oder Gegenstromführung, besonders bevorzugt eine Gegenstromführung.
Die Prinzipien der verschiedenen Strömungsführungen sind in 3 schematisch dargestellt, wobei in 3(a) die Gegenstromführung, in 3(b) die Kreuzstromführung und in 3(c) die Gleichstromführung gezeigt ist. Dabei bezeichnet der Gasstrom 1 jeweils das zu befeuchtende Prozessgas (beispielsweise die Kathodenzuluft der Brennstoffzelle) und der Gasstrom 2 jeweils das Feuchtgas (beispielsweise die Abluft der Brennstoffzelle). Mit Bezugszeichen 321 ist hier eine wasserdampfpermeable Membran dargestellt (s. 5).
Die verschiedenen Strömungsführungen der 3 sind durch unterschiedliche Wirkungsgrade bezüglich der Wasserdampfübertragung gekennzeichnet. Dies ist in 4 für verschiedene Volumenströme jeweils für die drei in 3 gezeigten Strömungsführungen dargestellt. In 4 bedeutet η_Δ1, den Befeuchtungswirkungsgrad, d. h. das tatsächlich auf das Prozessgas übertragene Wasser bezogen auf das maximal übertragbare Wasser. Der Befeuchtungswirkungsgrad η_Δ1, ist in Abhängigkeit von dem Parameter NTU₁ (number of transfer units), welcher auf der Abszisse aufgetragen ist, dargestellt. Der Parameter NTU₁ entspricht dem Produkt aus dem Stoffübergangskoeffizienten β, der wirksamen Übertragungsfläche A der Membran 321 sowie dem reziproken Volumenstrom des trockenen Anteils des zu befeuchtenden Gasstroms V .'_1a. Die Verläufe des Befeuchtungswirkungsgrads η_Δ1, sind für drei Koeffizienten Br₁ ⇒ 0, Br₁ = 0,5 und 1 dargestellt. Der Koeffizient Br₁ ist das Verhältnis des trockenen Volumenstromanteils des zu befeuchtenden Gasstroms zu dem trockenen Volumenstromanteil des Feuchtgasstroms V .'_2a, welche dem Befeuchter 320 zugeführt werden. Die trockenen Anteile der beiden Gasströme stellen das Schleppmittel für den Wasserdampf dar. Bei Br₁ = 1 sind beide Schleppmittelvolumenströme gleich groß. Bei Br₁ = 0,5 ist der Volumenstrom des trockenen Anteils des Feuchtgases doppelt so groß wie der des zu befeuchtenden Prozessgases. In einer typischen Brennstoffzelle liegt Br₁ im Bereich von 0,7 bis 1.
Wie in 4 erkennbar ist, ist der Befeuchtungswirkungsgrad η_Δ1, für die Gegenstromführung für alle Koeffizienten Br₁ grundsätzlich am größten, während der Wirkungsgrad für die Gleichstromführung jeweils am geringsten ist. Für Br₁ = 1 – ähnlich den Bedingungen eines Brennstoffzellensystems – wird bei der Gleichstromführung der Luftströme eine maximale Feuchteübertragung von 50% erreicht.
Wenn erfindungsgemäß die zu befeuchtende Luft innerhalb des Befeuchters 320 zunächst in Gegenstromführung mit maximalem Wirkungsgrad und anschließend in Gleichstromführung befeuchtet wird, so wird eine natürliche Begrenzung der maximal erzielbaren Befeuchtung der Prozessluft erreicht. Bei geeigneter Auslegung und Kombination der Stoffführung können somit stets 50% der Feuchtigkeit der Feuchtluft auf die trockene Luft übertragen werden.
Eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung 320 ist in 5 in zwei Schnittdarstellungen ausschnittsweise gezeigt, wobei 5(b) die Ansicht gemäß Schnitt A-A aus 5(a) zeigt.
Die Befeuchtungseinrichtung 320 weist hier einen Schichtaufbau sich wiederholender Komponenten auf, die zu einem Stapel geschichtet sind. Diese Komponenten umfassen ein wasserdampfpermeables Element 321, das hier eine wasserdampfpermeable Membran ist. Auf der ersten Seite jeder Membranschicht 321 ist jeweils ein erstes Strömungssystem 322 angeordnet, das der Leitung des zu befeuchtenden Prozessgases, beispielsweise der Kathodenzuluft für eine Brennstoffzelle dient. Auf der zweiten Seite jeder Membran 321 ist ein zweites Strömungssystem 323 angeordnet, welches der Leitung eines Feuchtgases, insbesondere der Kathodenabluft einer Brennstoffzelle dient. Das erste und das zweite Strömungssystem 322, 323 wird jeweils durch die wasserdampfpermeable Membran 321 getrennt. Nachfolgend werden das erste Strömungssystem 322 und das zweite Strömungssystem 323 auch als erste und zweite Strömungsschicht bezeichnet. Die erste und die zweite Strömungsschicht 322, 323 umfassen jeweils eine Vielzahl parallel zur Membran 321 verlaufender Strömungsstege 324, welche eine Vielzahl ebenfalls parallel zur Membran 321 verlaufender Strömungskanäle 325 definierten. Die Strömungsstege 324 und Strömungskanäle 325 verlaufen in der Darstellung gemäß 5(a) senkrecht zur Papierebene und gemäß 5(b) parallel zu dieser. Zwischen der zweiten Strömungsschicht 323 und der Membran 321 ist jeweils eine Stützschicht 326 angeordnet, die beispielsweise als Vlies oder bevorzugt als Stützfolie mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen ausgebildet sein kann. Die Stützschicht 326 dient der mechanischen Abstützung der wasserdampfpermeablen Membran 321 auf ihrer Niederdruckseite. Gleichzeitig soll sie einen möglichst freien Gasaustausch zwischen den Strömungskanäle 325 der zweiten Strömungsschicht 323 und der Membran 321 ermöglichen.
Die erste Strömungsschicht 322 ist ferner beidseitig von jeweils einer Abstandshalterfolie 327 eingeschlossen. Die Abstandshalterfolie 327 umfasst einen umlaufenden Randbereich, der eine zentrale Ausnehmung begrenzt, d. h. sie hat die Gestalt eines Rahmens. Die Funktion der Abstandshalterfolie 327 ist, die empfindliche Membran 321 vor direktem Kontakt mit den Strömungsstegen 324 der ersten Strömungsschicht 320 zu schützen. Alternativ können die Abstandshalterfolien 327 durch Stützschichten ersetzt werden, wie sie auf Seite der zweiten Strömungsschicht 323 vorgesehen sind.
Es versteht sich, dass der Befeuchterstapel eine Vielzahl der dargestellten Komponenten umfasst.
In 5 ist ferner ersichtlich, dass der Stapel einen zentralen aktiven Bereich aufweist, der von einem Randbereich rahmenförmig umgeben wird. Der eigentliche Wasserdampftransport über die Membran 321 findet lediglich im aktiven Bereich statt, d. h. dort, wo die Strömungskanäle 325 vorhanden sind. Die einzelnen Komponenten der Schichtanordnung können miteinander verklebt sein und nach außen hin abgedichtet sein.
Die Befeuchtungseinrichtung 320 weist bezogen auf eine Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases einen stromaufwärtigen Abschnitt 328 auf sowie einen stromabwärtigen Abschnitt 329. Jeder dieser Abschnitte 328, 329 umfasst eine Vielzahl der dargestellten Struktureinheiten. In dem stromaufwärtigen Abschnitt 328 werden das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas in einer von der Gleichstromführung abweichenden Strömungsführung geführt, beispielsweise in Gegenstromführung wie hier dargestellt. Dabei deutet der Punkt in der Darstellung der 5(a) eine Strömungsrichtung senkrecht zur Papierebene in Richtung des Betrachters an, wohingegen das Kreuz eine Strömungsrichtung senkrecht zur Papierebene in Betrachtungsrichtung darstellt. Durch die Gegenstromführung wird eine schnelle und hohe Feuchtigkeitsübertragung von dem Feuchtgas auf das zu befeuchtende Prozessgas erzielt.
In dem stromabwärtigen Abschnitt 329 hingegen ist eine Gleichstromführung von dem zu befeuchtendem Prozessgas und dem Feuchtgas realisiert. Ausgehend von ungefähr identischen Volumenströmen der Trockenanteile der beiden Gasströme (Br₁ = 1), wie es in Brennstoffzellen typischerweise vorliegt, wird somit in dem stromabwärtigen Abschnitt 329 ein Wirkungsgrad der Feuchtigkeitsübertragung von 0,5% erzielt (siehe unterste Kurve in 4). Auf diese Weise wird eine passive Begrenzung der Befeuchtung des zu befeuchtenden Prozessgases gewährleistet.
Eine Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt. Hierin sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet.
Die in 6 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 10 unterscheidet sich von der aus 1 dadurch, dass eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 320, wie sie beispielsweise in 5 beschrieben ist, vorhanden ist. Durch die passive Begrenzung der maximal erzielbaren Befeuchtung des zu befeuchtenden Prozessgases für die Kathodengasversorgung entfällt die Notwendigkeit einer Bypassleitung 309 und eines Bypassventils 310, wie sie in 1 dargestellt sind. Durch den Wegfall dieser Komponenten sowie der hierfür notwendigen Steuerung vereinfacht sich die Komplexität des Systems. Gleichzeitig wird bei allen Betriebspunkten der Brennstoffzelle 110 eine gleichmäßige Befeuchtung des Kathodenprozessgases (Luft) erzielt.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenanordnung
100: Brennstoffzellenabschnitt
101: elektrischer Stromkreis
110: Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle)
111: Polymerelektrolytmembran
112: Elektrode/Anode
113: Elektrode/Kathode
114: Gasdiffusionsschicht
115: Bipolarplatte
116: Prozessgaskanal
117: Kühlmittelkanal
118: Dichtmittel
119: Endplatte
120: Zugstange
121: Verschraubung
200: Anodenprozessgasversorgung/Wasserstoffversorgung
201: Brennstofftank/Wasserstofftank
202: Anodenprozessgasleitung
203: Anodenabgasleitung
204: Rückführungsleitung
205: Ventil
206: Wärmetauscher
207: Ventil
208: Pumpe
209: Kondensatablassventil
210: Ventil
211: Ventil
300: Kathodenprozessgasversorgung/Luftversorgung
301: Kathodenprozessgasleitung/Luftleitung
302: Kathodenabgasleitung
303: Luftfilter
304: Verdichter
305: Wärmetauscher
306: Ventil
307: Brennstoffzellen-Strömungsbypass
308: Ventil
309: Bypassleitung (Befeuchter)
310: Bypassventil (Befeuchter)
320: Befeuchtungseinrichtung
321: wasserdampfpermeables Element/wasserdampfpermeable Membran
322: erstes Strömungssystem/erste Schichtanordnung
323: zweites Strömungssystem/zweite Schichtanordnung
324: Strömungssteg
325: Strömungskanal
326: Stützschicht
327: Abstandshalterfolie
328: stromaufwärtiger Abschnitt
329: stromabwärtiger Abschnitt
400: Kühlsystem
401: Kühlmittelkreislauf
402: Kühler
403: Gebläse
404: Bypassleitung
405: Bypassventil
406: Pumpe
407: Bypassleitung (Pumpe)
408: Wärmetauscher
409: Kühlmittelausgleichsbehälter
500: Steuerung

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

WO 98/45889 A1 [0004]
DE 102005025914 A [0004]
US 2008/0241636 A1 [0006]
DE 102008016087 A1 [0006]
DE 102009005685 A1 [0007]
US 2009/0092863 A [0008]
DE 102008050507 A1 [0008]
DE 102005028717 A1 [0009]

Claims

Befeuchtungseinrichtung (320) zur Befeuchtung eines Prozessgases, insbesondere für Brennstoffzellen (110), umfassend ein erstes Strömungssystem (322) zur Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, ein zweites Strömungssystem (323) zur Leitung eines Feuchtgases, sowie ein wasserdampfpermeables Element (321), welches das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas voneinander trennt und einen Übertritt von Wasserdampf ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Strömungssystem (322, 323) so ausgebildet sind, dass bezüglich einer Strömungsrichtung des zu befeuchtenden Prozessgases in einem stromabwärtigen Abschnitt (329) das zu befeuchtende Prozessgas und das Feuchtgas im Wesentlichen in Gleichstromführung zueinander geführt werden und in einem stromaufwärtigen Abschnitt (328) der Befeuchtungseinrichtung (50) in einer von der Gleichstromführung abweichenden Strömungsführung.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Gleichstromführung abweichende Strömungsführung in dem stromaufwärtigen Abschnitt (328) der Befeuchtungseinrichtung (320) als Gegenstromführung und/oder als Kreuzstromführung ausgebildet ist, insbesondere als Gegenstromführung.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des in Gleichstromführung ausgebildeten stromabwärtigen Abschnitts (329) zu dem in abweichender Strömungsführung ausgebildeten stromaufwärtigen Abschnitt (328) bezüglich einer aktiven Fläche des wasserdampfpermeablen Elements (321) 0,1:1 bis 0,5:1, insbesondere 0,2:1 bis 0,5:1, beträgt.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserdampfpermeable Element (321) eine wasserdampfpermeable Membran ist.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (320) einen Stapel sich wiederholender Komponenten umfasst, umfassend: a) eine Vielzahl wasserdampfpermeabler Membranen (321), b) jeweils eine, auf einer ersten Seite der Membrane (321) angeordnete erste Strömungsschicht (322) zur Leitung des zu befeuchtenden Prozessgases und c) jeweils eine, auf einer zweiten Seite der Membrane (321) angeordnete zweite Strömungsschicht (323) zur Leitung des Feuchtgases.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Strömungsschicht (322, 323) jeweils eine Vielzahl parallel zur Membran (321) verlaufender Strömungskanäle (324) umfassen.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen der, das Feuchtgas führenden zweiten Strömungsschicht (323) und der Membran (321) jeweils eine gasdurchlässige Stützschicht (326) angeordnet ist.
Befeuchtungseinrichtung (320) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (320) ferner ein Gehäuse aufweist, das ausgebildet ist, das erste Strömungssystem (322) zur Leitung des zu befeuchtenden Prozessgases mit einer Prozessgasleitung (301) zu verbinden und das zweite Strömungssystem (323) zur Leitung des Feuchtgases mit einer Feuchtgasleitung (302) zu verbinden.
Brennstoffzellenanordnung (10), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einer Vielzahl von Kathodenabschnitten (112) und einer Vielzahl von Anodenabschnitten (113), eine Anodenprozessgasversorgung (200) und eine Kathodenprozessgasversorgung (300), wobei die Kathodenprozessgasversorgung (300) und/oder die Anodenprozessgasversorgung (200) eine Befeuchtungseinrichtung (320) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Befeuchtung eines Kathodenprozessgases beziehungsweise eines Anodenprozessgases umfasst.
Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 9 als Traktionsquelle.