DE102013004799A1 - Humidifying device for humidifying process gases and fuel cell assembly comprising such - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere für Brennstoffzellen (12), umfassend einen Stapel (52) sich wiederholender Komponenten, umfassend a) eine wasserdampfpermeable Membran (60), b) eine, auf einer ersten Seite der Membran (60) angeordnete erste Schichtanordnung (70), umfassend eine erste Strömungsschicht (72) zur Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, die eine Vielzahl parallel zur Membran (60) verlaufender Strömungsstege (74) umfasst, welche Strömungskanäle (76) begrenzen, und c) eine, auf einer zweiten Seite der Membran (60) angeordnete zweite Schichtanordnung (80), umfassend eine zweite Strömungsschicht (82) zur Leitung eines Feuchtgases, die eine Vielzahl parallel zur Membran (60) verlaufender Strömungsstege (84) umfasst, welche Strömungskanäle (86) begrenzen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Strömungsstege (84) der zweiten Strömungsschicht (80) mit einer Mehrzahl von Stabilisierungsstellen (88) in Form lokaler Vergrößerungen der Stegbreiten (B) bezüglich einer parallel zur Membran (60) verlaufenden Ebene ausgebildet sind.The invention relates to a humidification device (50) for humidifying process gases, in particular for fuel cells (12), comprising a stack (52) of repeating components, comprising a) a water vapor permeable membrane (60), b) one, on a first side of the membrane (60) arranged first layer arrangement (70), comprising a first flow layer (72) for conducting a process gas to be humidified, which comprises a plurality of flow webs (74) running parallel to the membrane (60), which delimit flow channels (76), and c) a second layer arrangement (80) arranged on a second side of the membrane (60), comprising a second flow layer (82) for conducting a damp gas, which comprises a plurality of flow webs (84) running parallel to the membrane (60), which flow channels (86 ) limit. According to the invention, at least some of the flow webs (84) of the second flow layer (80) are designed with a plurality of stabilization points (88) in the form of local enlargements of the web widths (B) with respect to a plane running parallel to the membrane (60).
Description
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere für Brennstoffzellen, sowie eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche Befeuchtungseinrichtung umfasst.The invention relates to a humidifying device for humidifying process gases, in particular for fuel cells, and to a fuel cell arrangement comprising such a humidifying device.
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 (1/22 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die gebildeten Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2– + 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.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA) for membrane electrode assembly, which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and two sandwiching the membrane enclosing electrodes (anode and cathode). As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode, where an electrochemical oxidation takes place with emission of electrons (eg H 2 → 2H + + 2e - ). Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical circuit. The cathode is also supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of oxygen taking up the electrons takes place (1/2 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, the oxygen anions formed in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2H + → H 2 O). The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.
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 Polymerelektrolytmembranen 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.The focus of current fuel cell development is particularly directed to traction applications for propulsion of motor vehicles. The most advanced fuel cell technology currently available is based on polymer electrolyte membranes (PEMs), in which the membrane is formed from a moistened polyelectrolyte (eg Nafion® ) and the water-bonded electrolytic conduction takes place via hydrated protons. Such polymer electrolyte membranes are dependent on the presence of water for proton conduction. Below a certain temperature, the cathodically formed product water as a source of moisture for moistening the membrane can still be sufficient for this purpose. At higher temperatures, however, moisture is increasingly being discharged from the fuel cell stack with the cathode exhaust gas. To counteract dehydration of the fuel cell membrane here, the moisture must be compensated by active supply of water.
Auch
Des Weiteren ist bekannt, externe 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- und auch für 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.Furthermore, it is known to use external humidifying devices in order to moisten the process gas to be supplied to the fuel cell, in most cases the air to be supplied to the cathode compartments. In particular, part of the moisture discharged from the stack with the exhaust air of the cathode compartments is recycled. The moisture recirculation strategy is realized for PEM fuel cells either by way of water diffusion over water vapor permeable membranes and / or by the capillary principle through the finest channels of a porous layer. So-called hollow fiber modules are suitable for the diffusion principle and also for the capillary principle. Membrane humidifiers utilize the product water formed by the fuel cell reaction at the cathode using a water vapor permeable membrane to humidify the process gas to be supplied to the fuel cell. In this way, not only the drying of the membrane is prevented, but also an excessive accumulation of water in the fuel cell.
Aus
In
Die in
Bei den externen Befeuchtungseinrichtungen mit plattenförmigem Aufbau ist die Abstützung der Membran auf ihrer Niederdruckseite, also der feuchten Abluftseite, erforderlich, um die Membran nicht aufgrund des von der Hockdruckseite wirkenden Drucks zu deformieren oder sogar zu beschädigen. Hierfür wird üblicherweise zwischen der Niederdruck-Strömungsschicht und der Membran eine gasdurchlässige Stützschicht (Diffusionsschicht) angeordnet. Diese ist üblicherweise ein Vlies aus Kunststoff-, Kohlenstoff- oder Glasfasern oder dergleichen und soll eine möglichst hohe Gastransportrate gewährleisten.In the external humidifiers with plate-like structure, the support of the membrane on its low pressure side, so the humid exhaust air side is required in order not to deform or even damage the membrane due to the pressure acting from the high pressure side. For this purpose, a gas-permeable supporting layer (diffusion layer) is usually arranged between the low-pressure flow layer and the membrane. This is usually a fleece made of plastic, carbon or glass fibers or the like and is intended to ensure the highest possible gas transport rate.
Um ferner eine möglichst große Kontaktfläche des Gases mit der wasserdampfpermeablen Membran und damit eine hohe Befeuchtungsrate zu ermöglichen, ist es grundsätzlich wünschenswert, die Stegbreiten der Strömungsstege, welche die Strömungskanäle begrenzen, so klein wie möglich zu dimensionieren, und somit den Strömungsquerschnitt der Kanäle zu vergrößern und Druckverluste zu vermindern. Der Verminderung der Stegbreiten sind jedoch dadurch Grenzen gesetzt, dass ein ausreichender und gleichmäßiger Anpressdruck der Stege auf die Stützschich/Diffusionsschicht sichergestellt werden muss. Zudem neigen sehr schmale Stege bei nicht exakt senkrechter Krafteinwirkung zum Ausweichen und Verdrehen und können damit eine Verformung der Niederdruck-Schichtanordnung hervorrufen.In order to further allow the largest possible contact surface of the gas with the water vapor permeable membrane and thus a high Befeuchtungsrate, it is generally desirable to dimension the web widths of the flow webs which limit the flow channels as small as possible, and thus to increase the flow cross section of the channels and to reduce pressure losses. The reduction of the web widths, however, are limited by the fact that a sufficient and uniform contact pressure of the webs on the Stützschich / diffusion layer must be ensured. In addition, very narrow webs tend to dodge and twist with not exactly vertical force and can thus cause a deformation of the low-pressure layer arrangement.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine externe Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere von Brennstoffzellen, vorzuschlagen, welche eine größere freie Kontaktfläche der wasserdampfpermeablen Membran und damit eine höhere Feuchtigkeitsübertragungsrate auf das zu befeuchtende Prozessgas gewährleistet.The invention is based on the object of proposing an external humidifying device for humidifying process gases, in particular fuel cells, which ensures a larger free contact area of the water vapor permeable membrane and thus a higher moisture transfer rate to the process gas to be humidified.
Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung von Prozessgasen sowie eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche umfasst, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a humidifying device for humidifying process gases and a fuel cell assembly comprising the same having the features of the independent claims.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung umfasst einen Stapel sich wiederholender Komponenten, umfassend:
- a) eine wasserdampfpermeable Membran,
- b) eine, auf einer ersten Seite der Membran angeordnete erste Schichtanordnung, umfassend eine erste Strömungsschicht zur Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, die eine Vielzahl parallel zur Membran verlaufender Strömungsstege umfasst, welche Strömungskanäle begrenzen, und
- c) eine, auf einer zweiten Seite der Membran angeordnete zweite Schichtanordnung, umfassend eine zweite Strömungsschicht zur Leitung eines Feuchtgases, die eine Vielzahl parallel zur Membran verlaufender Strömungsstege umfasst, welche Strömungskanäle begrenzen.
- a) a water vapor permeable membrane,
- b) a, disposed on a first side of the membrane first layer assembly comprising a first flow layer for guiding a process gas to be humidified, which comprises a plurality of parallel to the membrane extending flow webs which define flow channels, and
- c) a, disposed on a second side of the membrane second layer assembly comprising a second flow layer for conducting a moist gas, which comprises a plurality of parallel to the membrane extending flow webs, which define flow channels.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Strömungsstege zumindest der zweiten Strömungsschicht mit einer Mehrzahl von Stabilisierungsstellen in Form lokaler Vergrößerungen der Stegbreiten bezüglich einer parallel zur Membran verlaufenden Ebene ausgebildet ist.The moistening device according to the invention is characterized in that at least part of the flow webs of at least the second flow layer is formed with a plurality of stabilization points in the form of local enlargements of the web widths with respect to a plane extending parallel to the membrane.
Durch die lokalen Stabilisierungsstellen der Stege wird ein Verdrehen der Strömungsstege bei nicht exakt senkrechter Krafteinwirkung erschwert oder sogar verhindert. Gleichzeitig vergrößern die Stabilisierungsstellen die Abstützfläche der Stege und sorgen somit für eine bessere Kraftverteilung. Die erfindungsgemäßen Stabilisierungsstellen ermöglichen somit eine Verminderung der Stegbreiten und hierdurch eine Vergrößerung der für die Betriebsgase frei zugänglichen Membranoberfläche, ohne dass es zu einer ungenügenden Abstützung der Membran kommt.Due to the local stabilization points of the webs twisting of the flow webs is made difficult or even prevented with not exactly vertical force. At the same time, the stabilization points increase the support surface of the webs and thus ensure a better distribution of force. The stabilizing sites of the invention thus allow a reduction of the web widths and thereby an increase in the operating gas freely accessible membrane surface, without causing insufficient support of the membrane.
In bevorzugter Ausführung weisen die Strömungsstege zumindest der zweiten Strömungsschicht Stegbreiten von höchstens 1,0 mm, insbesondere von höchstens 0,6 mm und bevorzugt von höchstens 0,4 mm auf. Dabei wird unter Stegbreite die Breite eines Stegs außerhalb der lokalen Stabilisierungsstellen verstanden. Trotz dieser geringen Stegbreiten wird aufgrund der erfindungsgemäßen Stabilisierungsstellen der Stege eine ausreichend große Auflagefläche (Stützfläche) für die Membran (bzw. eine zwischen Membran und Stegen angeordnete Stützschicht) sowie eine hohe Stabilisierung der Stege erzielt. An den Stabilisierungsstellen selbst weist der Steg beispielsweise ein 1,5- bis 3-Faches seiner sonstigen Stegbreite auf, insbesondere ein 2- bis 2,5-Faches.In a preferred embodiment, the flow webs of at least the second flow layer web widths of at most 1.0 mm, in particular of at most 0.6 mm, and preferably of at most 0.4 mm. Here, web width is understood to be the width of a web outside the local stabilization points. Despite these small web widths, a sufficiently large contact surface (support surface) for the membrane (or a support layer arranged between membrane and webs) and a high stabilization of the webs are achieved due to the stabilization points of the webs according to the invention. At the stabilization points itself, the web has, for example, a 1.5 to 3 times its other web width, in particular a 2 to 2.5 times.
Vorzugsweise sind die Stabilisierungsstellen in gleichmäßigen Abständen über die gesamte Länge eines Strömungsstegs verteilt angeordnet. Geeignete Abstände zwischen zwei Stabilisierungsstellen betragen beispielsweise 2 bis 20 mm, insbesondere 4 bis 10 mm.Preferably, the stabilization points are distributed at equal intervals over the entire length of a flow web. Suitable distances between two stabilization sites are for example 2 to 20 mm, in particular 4 to 10 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen zumindest die Strömungsstege der zweiten Strömungsschicht an ihren Endabschnitten, das heißt an einem Übergang eines in Bezug auf die Befeuchtungswirkung aktiven Bereichs der Schichtanordnung zu einem umlaufenden Randbereich, größere Stegbreiten auf, als an ihren mittleren Abschnitten zwischen den Stabilisierungsstellen. Hierdurch wird eine weitere Stabilisierung der Stege gegenüber dem Wegdrehen sowie eine weitere Vergrößerung der Auflagefläche (Stützfläche) erzielt.According to a further preferred embodiment of the invention, at least the flow webs of the second flow layer at their end portions, that is, at a transition of an active with respect to the wetting effect area of the layer assembly to a peripheral edge region, larger web widths, as at their central portions between the stabilization points , As a result, a further stabilization of the webs with respect to the turning away and a further enlargement of the support surface (support surface) is achieved.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist zumindest ein Teil der Strömungsstege der zweiten Strömungsschicht jeweils zumindest eine lokale Verringerung der Steghöhe bezüglich einer orthogonal zur Membran verlaufenden Ebene auf. Die lokale Verringerung der Steghöhe entspricht somit einer partiellen Absenkung der der Membran zugewandten Stegfläche. Vorzugsweise weist jeder Strömungssteg eine Vielzahl von solchen lokalen Verringerungen der Steghöhe auf. Diese können auch beidseitig des Stegs ausgebildet sein. Zwischen den lokalen Verringerungen der Steghöhe, also da, wo der Steg seine volle Höhe aufweist, werden somit lokale Stützstellen für die Membran (beziehungsweise für eine zwischen Membran und Steg verlaufende Stützschicht) ausgebildet. Hingegen wird an den Stellen der lokalen Verringerungen der Steghöhe keine Anpresskraft ausgeübt. Vielmehr steht dieser Bereich als freie Gasaustauschfläche über die Membran zur Verfügung. Auf diese Weise wird die frei zugängliche Membranfläche und somit die Feuchtigkeitsübertragungsrate weiter vergrößert. Gleichzeitig erhöht sich durch die partiellen Steghöhenverringerungen der freie Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle, so dass auch Druckverluste reduziert werden.According to a further preferred embodiment of the invention, at least a part of the flow webs of the second flow layer each have at least one local reduction of the web height with respect to a plane extending orthogonal to the membrane. The local reduction of the web height thus corresponds to a partial lowering of the membrane facing web surface. Preferably, each flow land has a plurality of such local reductions in land height. These can also be formed on both sides of the web. Between the local reductions in the web height, ie where the web has its full height, local support points are thus formed for the membrane (or for a support layer running between the membrane and the web). On the other hand, at the points of local reductions of the web height, no contact force is exerted. Rather, this area is available as a free gas exchange surface over the membrane. In this way, the freely accessible membrane surface and thus the moisture transfer rate is further increased. At the same time, the free flow cross section of the flow channels increases due to the partial web height reductions, so that pressure losses are also reduced.
Vorzugsweise ist an den Stabilisierungsstellen keine Verringerung der Steghöhe vorgesehen, d. h. an den Stabilisierungsstellen liegt die volle Steghöhe vor.Preferably, no reduction in web height is provided at the stabilization sites, i. H. At the stabilization points, the full web height is available.
Vorzugsweise weist die zweite, feuchtgasführende Schichtanordnung ferner zwei, beidseitig an die Strömungsschicht beziehungsweise die Strömungsstege derselben anschließende, gasdurchlässige Stützschichten auf. Die zweite Strömungsschicht wird somit sandwichartig von zwei Stützschichten eingeschlossen. Der Stützschicht kommt die Aufgabe zu, die Membran auf ihrer feuchtgasführenden Niederdruckseite mechanisch abzustützen, um ihre Auswölbung in Richtung der Niederdruckseite zu verhindern. Andererseits muss die Stützschicht einen ausreichenden Gasfluss des Feuchtgases zur Membran ermöglichen.The second moist gas-carrying layer arrangement preferably also has two gas-permeable support layers adjoining the flow layer or the flow webs on both sides thereof. The second flow layer is thus sandwiched by two support layers. The support layer has the task of mechanically supporting the membrane on its moist gas-carrying low-pressure side in order to prevent its bulging in the direction of the low-pressure side. On the other hand, the support layer must allow sufficient gas flow of the moist gas to the membrane.
Grundsätzlich können die gasdurchlässigen Stützschichten Vliesmaterialien aus geeigneten Fasern, wie Kunststofffasern, Glasfasern oder Kohlenstofffasern, aufweisen. Mit besonderem Vorteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch vorgesehen, dass die gasdurchlässigen Stützschichten als Stützfolien ausgebildet sind, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen zum Durchtritt von Gasen aufweisen. Durch den Ersatz des Vlieses durch die Stützfolie wird der Weg des Feuchtgases zur Membran erheblich verkürzt und zudem die strömungsbremsende Wirkung des Vlieses umgangen. Weiterhin kann durch eine verstärkte Bewegung des Feuchtgases in der Nähe der Membran der Feuchtigkeitstransport von dem Feuchtgas zur Membranoberfläche gezielt beeinflusst werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten können so eingestellt werden, dass Turbulenzen in den Strömungskanälen auftreten und zu einer Verbesserung des Feuchtigkeitstransports führen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Stützfolie besteht in der Inkompressibilität und Stabilität einer Folie. Somit kann eine Einwölbung der Stützfolie in Richtung der Niederdruckseite weitestgehend vermieden werden. Durch die damit erreichte stabile Kanalgeometrie können zudem Druckverluste klein gehalten und genauer vorhergesagt werden. Die Vorhersage der Druckverluste lässt auch definierte turbulente Strömungen innerhalb eines Fensters maximal erlaubter Druckverluste zu, die wiederum einen erhöhten Feuchtigkeitstransport ermöglichen. Im Gegensatz zu Vliesen, die sich verformen lassen, ergibt sich bei Verwendung von Stützfolien zudem eine höhere Stabilität in der Verpressrichtung des Stapels. Diese Stabilität lässt sich auch dann aufrechterhalten, nachdem der Stapel bei seinem Aufbau einmalig verpresst wurde und nicht ständig eine Presskraft auf den Stapel ausgeübt wird.In principle, the gas permeable backing layers may comprise nonwoven materials of suitable fibers, such as plastic fibers, glass fibers or carbon fibers. With particular advantage, however, it is provided in the context of the present invention that the gas-permeable supporting layers are formed as supporting films which have a plurality of passage openings for the passage of gases. The replacement of the nonwoven by the backing film significantly shortens the path of the moist gas to the membrane and also bypasses the flow-braking effect of the nonwoven. Furthermore, by an increased movement of the moist gas in the vicinity of the membrane, the moisture transport can be selectively influenced by the moist gas to the membrane surface. The flow rates can be adjusted to cause turbulence in the flow channels and improve moisture wicking. Another advantage of using the backing film is the incompressibility and stability of a film. Thus, a concavity of the support film in the direction of the low pressure side can be largely avoided. Due to the stable channel geometry thus achieved, pressure losses can also be kept small and predicted more accurately. The prediction of the pressure losses also allows defined turbulent flows within a window of maximum allowable pressure losses, which in turn allow increased moisture transport. In contrast to nonwovens, which can be deformed, yields When using support films also a higher stability in the pressing direction of the stack. This stability can be maintained even after the stack was pressed once during its construction and not constantly a pressing force is exerted on the stack.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Stützfolie in dem, die Durchgangsöffnungen aufweisenden aktiven Bereich eine freie Fläche im Bereich von 20 bis 80%, insbesondere im Bereich von 40 bis 70%, vorzugsweise im Bereich von 55 bis 65%, auf. Liegt die freie Fläche unterhalb der genannten Untergrenzen, findet ein zu geringer Feuchtigkeitsaustausch zwischen Feuchtgas und Membran statt. Liegt die freie Fläche andererseits oberhalb der genannten Obergrenzen, wird die Stützfunktion der Stützfolie für die Membran zu stark verringert. Insbesondere der bevorzugte Bereich von 55 bis 65% freier Fläche führt gegenüber den herkömmlichen Vliesen, die typischerweise eine freie Fläche von weniger als 50% aufweisen, zu einer erhöhten Wassertransportrate. Durch die höhere Wassertransportrate verringert sich die benötigte Membranfläche, so dass bei gleicher Wassertransportleistung ein geringeres Bauteilvolumen benötigt wird.According to a preferred embodiment of the invention, the support film in the, the through-openings having active area a free area in the range of 20 to 80%, in particular in the range of 40 to 70%, preferably in the range of 55 to 65%. If the free area lies below the stated lower limits, too little moisture exchange takes place between the moist gas and the membrane. On the other hand, if the free area is above the stated upper limits, the support function of the support film for the membrane is reduced too much. In particular, the preferred range of 55 to 65% free area results in increased water transport rate over conventional nonwovens, which typically have a free area of less than 50%. Due to the higher water transport rate, the required membrane area is reduced, so that with the same water transport capacity a smaller component volume is required.
Die Durchgangsöffnungen der Stützfolie können beliebige Ausgestaltungen aufweisen. Bevorzugt weisen sie eine kreisförmige Gestalt auf, wobei Durchmesser von höchstens 1 mm, insbesondere höchstens 700 μm, vorzugsweise höchstens 400 μm, bevorzugt sind. Mit anderen Worten wird die freie Fläche vorzugsweise auf eine möglichst hohe Anzahl möglichst kleiner Durchgangsöffnungen verteilt, um so eine homogene Stützwirkung über den gesamten aktiven Bereich zu erzielen.The passage openings of the support foil can have any desired configurations. Preferably, they have a circular shape, wherein diameters of at most 1 mm, in particular at most 700 microns, preferably at most 400 microns, are preferred. In other words, the free area is preferably distributed to the highest possible number of through openings as small as possible in order to achieve a homogeneous support effect over the entire active area.
Es ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die erste, das zu befeuchtende Prozessgas führende Schichtanordnung ferner zwei beidseitig an die erste Strömungsschicht anschließende Abstandshalterfolien umfasst, welche einen umlaufenden Rahmenbereich und wenigstens eine, von dem umlaufenden Rahmenbereich begrenzte zentrale Ausnehmung im bezüglich der Befeuchtungswirkung aktiven Bereich der Membran aufweisen. Die Abstandshalterfolie hat somit die Gestalt eines Rahmens, wobei vorzugsweise die gesamte zentrale, bezüglich der Befeuchtungswirkung aktive Fläche ausgespart ist. Gemäß dieser Ausgestaltung wird somit auch die im Stand der Technik übliche Schicht eines Diffusionsmediums auf der Hochdruckseite der Membran durch eine Folienstruktur ersetzt. Auf diese Weise lassen sich die zuvor beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung noch weiter verstärken.It is further preferably provided that the first, the process gas to be moistened layer assembly further comprises two adjoining the first flow layer spacer films, which has a peripheral frame portion and at least one, bounded by the peripheral frame area central recess in the humidification active region of the membrane exhibit. The spacer film thus has the shape of a frame, wherein preferably the entire central, with respect to the wetting effect active area is recessed. According to this embodiment, therefore, the usual in the prior art layer of a diffusion medium on the high pressure side of the membrane is replaced by a film structure. In this way, the previously described advantages of the moistening device according to the invention can be further enhanced.
Die Stützfolien und/oder die Abstandshalterfolien umfassen vorzugsweise unabhängig voneinander ein Metall, einen Kunststoff oder ein Kompositmaterial, oder sie bestehen aus einem solchen. Vorzugsweise wird ein Metall verwendet, insbesondere ein Edelstahl.The backing sheets and / or the spacer sheets preferably comprise, independently of each other, or consist of a metal, a plastic or a composite material. Preferably, a metal is used, in particular a stainless steel.
Die erfindungsgemäß verwendeten Stütz- und/oder Abstandshalterfolien weisen unabhängig voneinander eine bevorzugte Schichtdicke im Bereich von 20 bis 120 μm auf, insbesondere im Bereich von 30 bis 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 60 μm. Verglichen mit den im Stand der Technik üblichen Diffusionsmedien, die üblicherweise eine Schichtdicke von etwa 200 μm aufweisen, kann somit eine erhebliche Reduzierung der Gesamtschichtdicke und somit des Bauteilvolumens erzielt werden. Das Volumen der Befeuchtungseinrichtung reduziert sich somit nicht nur durch die verringerte Membranfläche (siehe oben), sondern auch aufgrund der verringerten Schichthöhe des Stapels.Independently of one another, the support and / or spacer films used according to the invention have a preferred layer thickness in the range from 20 to 120 μm, in particular in the range from 30 to 100 μm, preferably in the range from 40 to 60 μm. Compared with the usual in the prior art diffusion media, which typically have a layer thickness of about 200 microns, thus a significant reduction of the total layer thickness and thus the component volume can be achieved. The volume of the moistening device is thus reduced not only by the reduced membrane area (see above), but also due to the reduced layer height of the stack.
Vorzugsweise umfassen somit die sich wiederholenden Komponenten des Stapels keine poröse Schicht eines Diffusionsmediums in Form von Vliesen oder dergleichen.Thus, preferably, the repeating components of the stack do not comprise a porous layer of a diffusion medium in the form of nonwovens or the like.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die (prozessgasführenden) Strömungskanäle einer ersten Strömungsschicht und die (feuchtgasführenden) Strömungskanäle einer zweiten Strömungsschicht in unterschiedliche Richtungen verlaufend ausgerichtet, insbesondere in einander kreuzenden Richtungen (Kreuzstrom). Auf diese Weise wird eine besonders hohe Feuchtigkeitsübertragungsrate erzielt. In besonders bevorzugter Ausführung verlaufen die Strömungsstege und damit die Strömungskanäle in parallelen Ebenen, aber um 90° versetzt zueinander.According to a preferred embodiment of the invention, the (process gas-carrying) flow channels of a first flow layer and the (moist gas-carrying) flow channels of a second flow layer are aligned in different directions, especially in intersecting directions (cross flow). In this way, a particularly high moisture transmission rate is achieved. In a particularly preferred embodiment, the flow webs and thus the flow channels extend in parallel planes, but offset by 90 ° to each other.
Mit Vorteil sind die Strömungskanäle der ersten und/oder der zweiten Strömungsschicht beidseitig offen ausgestaltet. Die Stege, welche Strömungskanäle begrenzen, werden dabei lediglich durch einen, die aktive Fläche umlaufenden Randbereich fixiert. Beispielsweise kann die erste und/oder zweite Strömungsschicht jeweils als Folie ausgebildet sein, in deren bezüglich der Befeuchtungswirkung aktiven Zentralbereich eine Vielzahl von Längsöffnungen ausgebildet ist, welche von den dazwischen verlaufenden Strömungsstegen begrenzt werden.Advantageously, the flow channels of the first and / or the second flow layer are open on both sides. The webs, which limit flow channels, are thereby merely fixed by an edge area surrounding the active area. For example, the first and / or second flow layer can each be formed as a film, in whose center region, which is active with respect to the wetting effect, a multiplicity of longitudinal openings is formed, which are delimited by the flow webs extending therebetween.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest die Komponenten einer ersten (prozessgasführenden) Schichtanordnung und/oder die Komponenten einer zweiten (feuchtgasführenden) Schichtanordnung jeweils miteinander gefügt. Dies erfolgt insbesondere durch jeweils eine, beidseitig an die Strömungsschicht anschließende Klebeschicht, wobei insbesondere Kleber auf Acryl- oder Silikonbasis zum Einsatz kommen, vorzugsweise Acrylkleber. Vorzugsweise sind ferner Klebeschichten zwischen der wasserdampfpermeablen Membran und der jeweils anschließenden ersten und zweiten Schichtanordnung vorhanden, wobei insbesondere Kleber auf Acryl- oder Silikonbasis zum Einsatz kommen, hier vorzugsweise Silikonkleber. Dabei sind sämtliche Klebeschichten vorzugsweise zumindest in dem umlaufenden, den bezüglich der Befeuchtungswirkung aktiven Zentralbereich einschließenden Randbereich vorhanden, so dass hier eine Abdichtung erzielt wird. Gegenüber Dichtleisten, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, hat die Ausbildung von Klebstoffdichtungen den Vorteil, im selben Arbeitsschritt wie die Fügung der verschiedenen Komponenten des Stapels miteinander auch die Abdichtung des Stapels nach außen zu erzeugen.In a further preferred embodiment of the invention, at least the components of a first (process gas-carrying) layer arrangement and / or the components of a second (moist gas-carrying) layer arrangement are joined together. This is done in particular by one, on both sides of the flow layer subsequent adhesive layer, in particular adhesives are used on acrylic or silicone-based, preferably acrylic adhesive. Preferably, further are Adhesive layers between the water vapor permeable membrane and the respective subsequent first and second layer arrangement present, in particular adhesives are used on acrylic or silicone-based, here preferably silicone adhesive. In this case, all the adhesive layers are preferably present at least in the peripheral peripheral region which encloses the central area which is active with respect to the wetting effect, so that a seal is achieved here. Compared to sealing strips, as described in the prior art, the formation of adhesive seals has the advantage of producing in the same step as the joining of the various components of the stack together and the sealing of the stack to the outside.
Das Fügen einzelner Komponenten miteinander durch Aufbringen von Klebeschichten kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Rollenprozess erfolgen.The joining of individual components to one another by applying adhesive layers can take place, for example, in a continuous roll process.
Die Komponenten, umfassend wasserdampfpermeable Membran, erste Schichtanordnung (Trockenschichtanordnung) sowie zweite Schichtanordnung (Feuchtschichtanordnung), bilden Struktureinheiten aus. Eine Vielzahl dieser Struktureinheiten wiederholen sich im erfindungsgemäßen Stapel, der – in einem geeigneten Gehäuse angeordnet – die Kernkomponente des brennstoffzellenexternen Prozessgasbefeuchters darstellt. Die Stapelung der Komponenten erfolgt vorzugsweise so, dass zwischen jeweils einem Paar Trocken- und Feuchtschichtanordnung jeweils eine Membranschicht angeordnet ist. Beispielsweise umfasst der Stapel folgende Komponentenabfolge: erste Schichtanordnung/Membran/zweite Schichtanordnung/Membran usw.The components comprising water vapor permeable membrane, first layer arrangement (dry layer arrangement) and second layer arrangement (wet layer arrangement) form structural units. A plurality of these structural units are repeated in the stack according to the invention, which - arranged in a suitable housing - represents the core component of the external fuel gas process gas humidifier. The stacking of the components is preferably carried out such that in each case a membrane layer is arranged between each pair of dry and wet layer arrangement. By way of example, the stack comprises the following sequence of components: first layer arrangement / membrane / second layer arrangement / membrane, etc.
Der erfindungsgemäße Stapel der sich wiederholenden Komponenten Membran sowie erste und zweite Schichtanordnung ist bevorzugt in einer Halterungskassette angeordnet, welche eine Fixierung und ein Anpressen der Komponenten untereinander bewirkt. Dabei ist der, in der Halterungskassette befindliche Stapel vorzugsweise in einem Gehäuse angeordnet, das ausgebildet ist, die Vielzahl der Strömungskanäle der ersten Schichtanordnungen mit einer Prozessgasversorgung, insbesondere einer Brennstoffzelle, zu verbinden und die Vielzahl der Strömungskanäle der zweiten Schichtanordnungen mit einer Feuchtgasleitung, insbesondere einer Abgasableitung einer Brennstoffzelle, zu verbinden.The stack according to the invention of the repeating component membrane as well as the first and second layer arrangement is preferably arranged in a holder cassette which effects a fixation and a pressing of the components together. In this case, the stack located in the mounting cassette is preferably arranged in a housing which is designed to connect the plurality of flow channels of the first layer arrangements with a process gas supply, in particular a fuel cell, and the plurality of flow channels of the second layer arrangements with a wet gas line, in particular one Exhaust gas discharge of a fuel cell to connect.
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 beziehungsweise des Anodenprozessgases.Another aspect of the invention relates to a fuel cell assembly comprising a fuel cell stack having a plurality of cathode and anode sections, an anode process gas supply for supplying the anode sections with fuel, for example hydrogen, and a cathode process gas supply for supplying the cathode sections with a cathode process gas, in particular oxygen or an oxygen-containing one Gas mixture such as air. In this case, the cathode process gas supply and / or the anode process gas supply comprise a humidification device according to the present invention for humidifying the cathode process gas or the anode process gas.
Zu diesem Zweck stehen das Kathoden- beziehungsweise Anodenprozessgas in Strömungsverbindung vorzugsweise mit der ersten Strömungsschicht der Befeuchtungseinrichtung und das Kathoden- beziehungsweise Anodenabgas in Strömungsverbindung mit der zweiten Strömungsschicht.For this purpose, the cathode or anode process gas is in flow communication preferably with the first flow layer of the humidifier and the cathode or anode exhaust gas in flow communication with the second flow layer.
Die Brennstoffzellenanordnung wird insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.The fuel cell assembly is used in particular for driving a motor vehicle.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
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.In the context of the present application, the term "water vapor-permeable membrane" is understood to mean a membrane which is permeable to gaseous water (superheated steam) and / or partially condensed water (wet steam). At the same time, the membrane should be as impermeable as possible to other gas components, that is to say that they should be as selectively permeable to water vapor as possible. Suitable materials include hydrophilic polymers and polymer composites, such as polyperfluorosulfonic acid, which is available as under the trade name Nafion ®.
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.The term "process gas" denotes a relatively low-water vapor (dry) gas or gas mixture, for example a gas or gas mixture to be supplied to the cathode of a fuel cell, in particular oxygen or an oxygen-containing gas mixture such as air, and / or a gas or gas mixture to be supplied to the anode, in particular hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture.
Des Weiteren bezeichnet der Begriff „Feuchtgas” ein relativ wasserdampfreiches 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.Furthermore, the term "moist gas" refers to a relatively water vapor-rich gas or gas mixture whose moisture content is greater than that of the process gas. In particular, the moist gas is a relatively water-vapor-rich (moist) gas or gas mixture removed from the cathode and / or anode space of a fuel cell.
Bei den, den Stapel aufbauenden Komponenten, Membran, Strömungsschicht, Stützschicht und Abstandshalterfolie, handelt es sich um flächige Bauteile, insbesondere Folien oder Platten, bei denen die Abmessungen ihrer zwei Hauptflächen um zumindest einer Größenordnung, insbesondere zumindest zwei Größenordnungen größer sind als die der vier schmalen Kantenflächen. Somit wird unter aneinander anschließenden Schichten verstanden, dass diese betreffenden Schichten mit ihren Hauptflächen aneinander anschließen. Dabei können die Komponenten unmittelbar, ohne weitere Zwischenschicht aneinander anschließen oder mittelbar, durch eine oder mehrere Zwischenschichten voneinander getrennt, beispielsweise durch eine Klebeschicht.The constituent components of the stack, membrane, flow layer, supporting layer and spacer foil are flat components, in particular foils or plates, in which the dimensions of their two main surfaces are larger by at least one order of magnitude, in particular at least two orders of magnitude narrow edge surfaces. Thus, by adjoining layers is meant that these respective layers connect with each other with their main surfaces. In this case, the components can adjoin one another directly or without another intermediate layer or indirectly, separated from one another by one or more intermediate layers, for example by an adhesive layer.
Vorliegend wird die erste Schichtanordnung entsprechend des darin geführten relativ trockenen Prozessgases auch als Trockenschichtanordnung und die zweite Schichtanordnung entsprechend des darin geführten relativ feuchten Feuchtgases auch als Feuchtschichtanordnung bezeichnet.In the present case, the first layer arrangement according to the relatively dry process gas guided therein is also referred to as a dry layer arrangement and the second layer arrangement corresponding to the relatively moist moist gas guided therein also as a wet layer arrangement.
Der grundsätzliche Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzellenanordnung wird zunächst anhand der
In
Eine einzelne beispielhafte Einzelzelle
Die Anode
Die Brennstoffzelle
Ferner verfügt die Brennstoffzelle
Um eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran
Nicht dargestellt in
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung
Die Trockenschichtanordnung
Erfindungsgemäß weisen die Strömungsstege
Die Trockenschichtanordnung
Die Trockenschichtanordnung
Die Feuchtschichtanordnung
Es versteht sich, dass der Stapel
In
Einzelheiten zum Aufbau der zweiten Schichtanordnung (Feuchtschichtanordnung)
Die an die Strömungsschicht
Die einzelnen in
Die Strömungsstege
In dem in
Eine Schnittansicht eines einzelnen Stegs
Grundsätzlich ist die gesamte Stützfläche der Strömungsschicht
Beispielsweise kann die Steghöhe an der Stelle einer Steghöhenverringerung
Eine alternative Ausgestaltung eines Strömungsstegs
Die Halterungskassette
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly
- 1212
- Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle)Fuel cell stack (fuel cell)
- 1414
- Einzelzellesingle cell
- 1616
- PolymerelektrolytmembranPolymer electrolyte membrane
- 1818
- Anodeanode
- 2020
- Kathodecathode
- 2222
- Bipolarplattebipolar
- 2424
- Katalysatorschichtcatalyst layer
- 2626
- GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
- 2828
- AnodenprozessgasversorgungAnode process gas supply
- 3030
- AnodenprozessgasleitungAnode process gas line
- 3232
- WasserstofftankHydrogen tank
- 3434
- AnodenabgasleitungAnode exhaust gas line
- 3636
- RückführungsleitungReturn line
- 3838
- VentilValve
- 4040
- VentilValve
- 4242
- KathodenprozessgasversorgungCathode process gas supply
- 4444
- KathodenprozessgasleitungCathode process gas line
- 4646
- Luftfördermittelair funding
- 4848
- KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
- 5050
- Beleuchtungseinrichtunglighting device
- 5252
- Stapelstack
- 5454
- bezüglich der Befeuchtungswirkung aktiver Bereichwith respect to the humidifying effect active area
- 5656
- Randbereichborder area
- 6060
- wasserdampfpermeable Membranwater vapor permeable membrane
- 7070
- erste Schichtanordnung/Trockenschichtanordnungfirst layer arrangement / dry layer arrangement
- 7272
- erste Strömungsschichtfirst flow layer
- 7474
- Strömungsstegeflow webs
- 7676
- Strömungskanäleflow channels
- 7878
- AbstandshalterfolieSpacer film
- 8080
- zweite Schichtanordnung/Feuchtschichtanordnungsecond layer arrangement / wet layer arrangement
- 8282
- zweite Strömungsschichtsecond flow layer
- 8484
- Strömungsstegeflow webs
- 8686
- Strömungskanäleflow channels
- 8888
- Stabilisierungsstellestabilization point
- 9090
- Stützschicht/StützfolieBacking / supporting film
- 9292
- Öffnungenopenings
- 9494
- Klebeschichtadhesive layer
- 9696
- Klebeschichtadhesive layer
- 9898
- Endabschnittend
- 100100
- SteghöhenabsenkungWeb height reduction
- 102102
- Stützstellesupport point
- 104104
- Halterungskassetteholder cartridge
- 106106
- Endplatteendplate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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