DE102013004799A1 - Humidifying device for humidifying process gases and fuel cell assembly comprising such - Google Patents

Humidifying device for humidifying process gases and fuel cell assembly comprising such Download PDF

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Nils Brandau
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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.

WO 98/45889 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit interner Wasserzuführung, bei der sowohl dem Brenngas im Anodenbereich als auch der Luft im Kathodenbereich Wasser in Form eines Aerosols zugegeben wird. Die Einbringung erfolgt über die Kanäle der jeweiligen Bipolarplatte. WO 98/45889 A1 describes a fuel cell with internal water supply, in which both the fuel gas in the anode region and the air in the cathode region water is added in the form of an aerosol. The introduction takes place via the channels of the respective bipolar plate.

Auch DE 10 2005 025 914 A betrifft die interne Befeuchtung eines Betriebsmediums einer Brennstoffzelle. Zu diesem Zweck ist die Bipolarplatte der Brennstoffzelle mit Stegen ausgestattet, welche den zuströmenden Medienstrom und den abströmenden Medienstrom voneinander trennen. Die Stege sind durch Abschnitte unterbrochen, die durch eine wasserdampfpermeable Membran gebildet sind.Also DE 10 2005 025 914 A relates to the internal humidification of a working medium of a fuel cell. For this purpose, the bipolar plate of the fuel cell is equipped with webs which separate the inflowing medium flow and the outflowing medium flow from each other. The webs are interrupted by sections formed by a water vapor permeable membrane.

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.

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. US 2008/0241636 A1 ( DE 10 2008 016 087 A1 ) describes such a membrane humidifier, which is designed according to the principle of a countercurrent heat exchanger, wherein a steam-rich gas is passed through lines which are enclosed by a housing through which a gas mixture to be humidified flows in countercurrent. The lines consist of a water vapor permeable membrane material.

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 Membran hin bzw. von der Membran weg transportieren soll und andererseits die Membran strukturell abstützen soll.Out DE 10 2009 005 685 A1 For example, an external membrane humidifier is known which comprises a stack of corrugated sheets each having a membrane disposed therebetween. Through the corrugated plates flow channels formed, which are partially flowed through by the wet cathode exhaust gas and partly by the cathode air to be humidified. The membrane is contacted on both sides by a respective layer of a hydrophilic diffusion medium which, on the one hand, absorbs the water and is to transport it to and from the membrane and, on the other hand, structurally supports the membrane.

US 2009/0092863 A ( DE 102008 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 Platten sind seitlich durch massive Kunststoffleisten abgedichtet. US 2009/0092863 A ( DE 102008 050 507 A1 ) describes a membrane humidifier having a stack of alternating wet plates and dry plates, between each of which a water vapor permeable membrane is arranged. Each wet and dry plate consists of two gas diffusion layers, between which webs are arranged, which delimit flow channels. The flow channels of the wet plate carry moist exhaust air from the cathode side of the fuel cell and the flow channels of the dry plate lead relatively dry process gas, which is supplied to the fuel cell. The plates are laterally sealed by solid plastic strips.

In WO 2009/101036 A1 werden statt solcher Gasdiffusionsschichten Stützelemente aus einem Siebgewebe verwendet, so dass die Membran wenigstens auf der Trockenseite oder beidseitig von einem Siebgewebe abgestützt wird. Hierdurch soll die frei zugängliche Kontaktfläche der Membran vergrößert werden.In WO 2009/101036 A1 Instead of such gas diffusion layers supporting elements are used from a mesh fabric, so that the membrane is supported at least on the dry side or on both sides of a mesh fabric. As a result, the freely accessible contact surface of the membrane is to be increased.

Die in US 2008/0001313 A1 offenbarten Membranbefeuchter entsprechen den zuvor beschriebenen, weisen jedoch andere Kanalstrukturen auf. Statt durch Stege, werden hier die Kanäle der Nass- und Trockenplatten durch Platten mit Wellblechstruktur oder durch Platten mit beidseitigen Nuten erzeugt. Ein ähnlicher Aufbau ist aus DE 10 2010 035 359 A1 bekannt.In the US 2008/0001313 A1 disclosed membrane humidifier correspond to those described above, but have other channel structures. Instead of webs, here the channels of the wet and dry plates are produced by plates with corrugated metal structure or by plates with double-sided grooves. A similar structure is out DE 10 2010 035 359 A1 known.

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.
The moistening device according to the invention comprises a stack of repeating components, comprising:
  • 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:

1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung; 1 a fuel cell assembly with a moistening device according to the invention;

2 eine Einzelzelle der Brennstoffzelle aus 1 in einer Schnittansicht; 2 a single cell of the fuel cell 1 in a sectional view;

3 einen Ausschnitt einer Befeuchtungseinrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung in einer Schnittansicht; 3 a section of a moistening device according to an embodiment of the invention in a sectional view;

4 eine Explosionsdarstellung einer Feuchtschichtanordnung einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung; 4 an exploded view of a damp layer arrangement of a humidifying device according to the invention;

5 Einzelansicht einer Strömungsschicht der Feuchtschichtanordnung aus 4 nach einer ersten Ausführung der Erfindung (A: Draufsicht, B: Detailansicht); 5 Single view of a flow layer of the wet layer arrangement 4 according to a first embodiment of the invention (A: plan view, B: detail view);

6 Einzelansicht einer Strömungsschicht für eine Feuchtschichtanordnung nach einer zweiten Ausführung der Erfindung (A: Draufsicht, B: Detailansicht); 6 Single view of a flow layer for a wet layer arrangement according to a second embodiment of the invention (A: plan view, B: detailed view);

7 Einzelansicht einer Strömungsschicht für eine Feuchtschichtanordnung nach einer dritten Ausführung der Erfindung (A: Draufsicht, B: Detailansicht, C und D: Schnittansichten); 7 Single view of a flow layer for a wet film arrangement according to a third embodiment of the invention (A: plan view, B: detailed view, C and D: sectional views);

8 Einzelansicht einer Strömungsschicht der Stützfolie aus 4 (A: Draufsicht, B: Detailansicht) und 8th Single view of a flow layer of the support film 4 (A: top view, B: detail view) and

9 eine Halterungskassette einer Befeuchtungseinrichtung. 9 a mounting cassette of a moistening device.

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 1 und 2 erläutert.The basic structure and operation of a fuel cell assembly is first based on the 1 and 2 explained.

In 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 (auch einfach Brennstoffzelle genannt) dargestellt, der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen 14 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird durch zwei Endplatten 16 beidseitig zusammengehalten.In 1 is a fuel cell assembly 10 with a fuel cell stack 12 (also simply called fuel cell), which is a plurality of series connected single cells 14 includes. The fuel cell stack 12 is through two end plates 16 held together on both sides.

Eine einzelne beispielhafte Einzelzelle 14 ist in 2 näher dargestellt ist. Jede Einzelzelle 14 weist eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die jeweils eine ionenleitenden, insbesondere protonenleitende Polymerelektrolytmembran 16 (beispielsweise eine Polyperfluorsulfonsäure-Membran der Handelsbezeichnung Nafion®) umfasst sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden, nämlich eine Anode 18 und eine Kathode 20. Ferner umfassen die Einzelzellen 14 zwischen jeweils zwei MEA angeordnete Bipolarplatten 22, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung der Abgase sowie des Produktwassers sorgen. Zudem trennen sie die einzelnen MEA im Brennstoffzellenstapel 12 gasdicht voneinander. Die Bipolarplatten 22 weisen eine Vielzahl von inneren Transportkanälen auf, die der Zufuhr der Reaktionsgase (üblicherweise im Fall der Anode Wasserstoff und im Fall der Kathode Sauerstoff bzw. Luft) und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Materialien zur Abdichtung und Stabilisierung der MEA sind nicht dargestellt.A single exemplary single cell 14 is in 2 is shown in more detail. Every single cell 14 comprises a membrane-electrode unit (MEA), each having an ion-conducting, in particular proton-conducting polymer electrolyte membrane 16 (For example, a polyperfluorosulfonic acid membrane of the trade name Nafion ® ) and two sandwiching the two outer membrane surfaces subsequent electrodes, namely an anode 18 and a cathode 20 , Furthermore, the single cells include 14 between each two MEA arranged bipolar plates 22 , which electrically contact both sides of the MEA composite and ensure the supply of the process gases as well as the discharge of the exhaust gases and the product water. In addition, they separate the individual MEA in the fuel cell stack 12 gas-tight from each other. The bipolar plates 22 have a plurality of inner transport channels, which serve to supply the reaction gases (usually in the case of the anode hydrogen and in the case of the cathode oxygen or air) and the cathode side also the removal of the product water. Materials for sealing and stabilizing the MEA are not shown.

Die Anode 18 und die Kathode 20 sind im dargestellten Beispiel als Gasdiffusionselektroden ausgestaltet und umfassen jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht 24, die auf einer Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer) 26 aufgebracht ist. Die Katalysatorschicht 24 umfasst ein kohlenstoffhaltiges oder gänzlich aus Kohlenstoff (Graphit) bestehendes Trägermaterial, das als eigentlich reaktive Zentren ein katalytisches Material trägt, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium, oder um ein Übergangsmetall, wie Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, Vanadium oder Zinn, oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Das Trägermaterial dient einerseits der elektrischen Anbindung des katalytischen Materials und wirkt andererseits fixierend und oberflächenvergrößernd. Funktion der GDL 26 ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten 24 mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite zu gewährleisten. Andere Ausgestaltungen der Elektroden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls einsetzbar. Beispielsweise können die mikroporösen Katalysatorschichten 24 statt auf der GDL 26 auch direkt auf der Membranoberfläche aufgetragen sein.The anode 18 and the cathode 20 are configured in the example shown as gas diffusion electrodes and each comprise a microporous catalyst layer 24 deposited on a gas diffusion layer (GDL) 26 is applied. The catalyst layer 24 comprises a carbonaceous or entirely carbonaceous (graphite) support material which, as actually reactive centers, carries a catalytic material, which is usually a noble metal such as platinum, iridium or ruthenium, or a transition metal such as chromium, Cobalt, nickel, iron, vanadium or tin, or mixtures or alloys of these. On the one hand, the carrier material serves for the electrical connection of the catalytic material and on the other hand acts as a fixing and surface enlarging agent. Function of the GDL 26 it is, a uniform flow of the catalyst layers 24 to ensure with the reaction gases oxygen or air on the cathode side and hydrogen on the anode side. Other configurations of the electrodes can also be used in the context of the present invention. For example, the microporous catalyst layers 24 instead of at the GDL 26 also be applied directly on the membrane surface.

Die Brennstoffzelle 10 weist ferner gemäß 1 eine Anodenprozessgasversorgung 28 zur Versorgung der Anodenabschnitte der Zellen 14 mit einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff auf. Die Anodenprozessgasversorgung 28 umfasst eine Anodenprozessgasleitung 30, welche einerseits mit einem, insbesondere einem Wasserstofftank 32 und andererseits mit den Anodenabschnitten der Brennstoffzelle 12 in Verbindung steht. Ein inneres anodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 leitet den zugeführten Wasserstoff H2 den Anoden 18 der Einzelzelle 14 zu, wo dieser unter Abgabe von Elektronen zu Protonen H+ oxidiert wird. Über eine Anodenabgasleitung 34, die mit einem weiteren anodenseitigen inneren Kanalsystem der Bipolarplatten 22 in Verbindung steht, wird der unverbrauchte Restwasserstoff (und durch die Membran 16 diffundiertes Produktwasser) abgeführt. Eine Rezirkulationsleitung 36 verbindet die Anodenabgasleitung 34 mit der Anodenprozessgasleitung 30, so dass unverbrauchter Wasserstoff in den Kreislauf zurückgeführt werden kann. Die Anodenabgasrezirkulation ist deshalb von Vorteil, da die Brennstoffzelle 12 üblicherweise mit einem Wasserstoffüberschuss (überstöchiometrisch) gegenüber dem kathodenseitigen Sauerstoff betrieben wird, so dass der Wasserstoff nicht vollständig umgesetzt wird. Der Betriebsdruck und die Rezirkulationsrate sind über entsprechende Ventile 38, 40 steuerbar.The fuel cell 10 also according to 1 an anode process gas supply 28 for supplying the anode sections of the cells 14 with a fuel, especially hydrogen. The anode process gas supply 28 includes an anode process gas line 30 , which on the one hand with a, in particular a hydrogen tank 32 and on the other hand, with the anode portions of the fuel cell 12 communicates. An inner anode-side channel system of the bipolar plates 22 directs the supplied hydrogen H 2 to the anodes 18 the single cell 14 to where it is oxidized with the release of electrons to protons H + . Via an anode exhaust gas line 34 connected to another anode-side internal channel system of the bipolar plates 22 is the unused residual hydrogen (and through the membrane 16 diffused product water) dissipated. A recirculation line 36 connects the anode exhaust gas line 34 with the anode process gas line 30 so that unused hydrogen can be recycled. The anode exhaust gas recirculation is advantageous because the fuel cell 12 is usually operated with an excess of hydrogen (more than stoichiometrically) with respect to the cathode-side oxygen, so that the hydrogen is not completely converted. The operating pressure and the recirculation rate are via corresponding valves 38 . 40 taxable.

Ferner verfügt die Brennstoffzelle 10 über eine Kathodenprozessgasversorgung 42 mit einer Kathodenprozessgasleitung 44 und einem Fördermittel 46, beispielsweise einer Pumpe, um Luft und damit Sauerstoff zu den Bipolarplatten 22 und von dort über ein kathodenseitiges Kanalsystem derselben den Kathoden 20 zuzuleiten. Über ein weiteres kathodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 und eine daran angeschlossene Kathodenabgasleitung 48 erfolgt die Ableitung der restlichen Luft und des Produktwassers.Furthermore, the fuel cell has 10 via a cathode process gas supply 42 with a cathode process gas line 44 and a grant 46 , For example, a pump to air and thus oxygen to the bipolar plates 22 and from there via a cathode-side channel system of the same the cathode 20 be forwarded. Via another cathode-side channel system of the bipolar plates 22 and a cathode exhaust line connected thereto 48 the discharge of the remaining air and the product water takes place.

Um eine ausreichende Befeuchtung der Polymerelektrolytmembran 16 der Einzelzellen 14 der Brennstoffzelle 12 zu erzielen, verfügt die Kathodenprozessgasversorgung 42 ferner über eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 50 zur Befeuchtung des Kathodenprozessgases (Luft) unter partieller Rückführung des kathodenseitig gebildeten und über die Kathodenabgasleitung 48 aus der Brennstoffzelle 12 ausgetragenen Produktwassers. Zu diesem Zweck ist die Befeuchtungseinrichtung 50 sowohl mit der Kathodenprozessgasleitung 44 als auch mit der Kathodenabgasleitung 48 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Anodenprozessgasversorgung 28 mit einer entsprechenden Befeuchtungseinrichtung 50 ausgestattet sein, wobei in diesem Fall das durch die Polymerelektrolytmembran 16 diffundierte und mit dem Anodenabgas ausgetragene Produktwasser zur Befeuchtung des Anodenprozessgases (Wasserstoff) genutzt wird.To ensure adequate humidification of the polymer electrolyte membrane 16 of the single cells 14 the fuel cell 12 to achieve, has the cathode process gas supply 42 furthermore via a moistening device according to the invention 50 for moistening the cathode process gas (air) with partial recycling of the cathode side and over the cathode exhaust gas line 48 from the fuel cell 12 discharged product water. For this purpose, the moistening device 50 both with the cathode process gas line 44 as well as with the cathode exhaust gas line 48 connected. Alternatively or additionally, the anode process gas supply can also be used 28 with a corresponding moistening device 50 be equipped, in which case by the polymer electrolyte membrane 16 diffused and discharged with the anode exhaust product water for humidification of the anode process gas (hydrogen) is used.

Nicht dargestellt in 1 sind weitere Komponenten der Brennstoffzelle 12, beispielsweise ein Kühlsystem, Temperatur- und Drucksensoren und dergleichen sowie elektronische Steuermittel zur Steuerung der Brennstoffzelle 12 sowie ihrer angeschlossenen Komponenten.Not shown in 1 are other components of the fuel cell 12 For example, a cooling system, temperature and pressure sensors and the like, and electronic control means for controlling the fuel cell 12 and their connected components.

Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 50 wird in den 3 bis 9 näher dargestellt.The moistening device according to the invention 50 will be in the 3 to 9 shown in more detail.

3 zeigt in einer Schnittansicht von der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung 50 einen Ausschnitt eines Stapels 52 sich wiederholender Komponenten. Diese umfassen eine wasserdampfpermeable Membran 60 (in 3 sind zwei Membranen 60 dargestellt), eine auf einer ersten Seite der Membran 60 angeordnete erste Schichtanordnung 70 (nachfolgend auch Trockenschichtanordnung genannt) sowie eine auf einer zweiten Seite der Membran 60 angeordnete zweite Schichtanordnung 80 (nachfolgend auch Feuchtschichtanordnung). 3 shows in a sectional view of the moistening device according to the invention 50 a section of a pile 52 repetitive components. These include a water vapor permeable membrane 60 (in 3 are two membranes 60 shown), one on a first side of the membrane 60 arranged first layer arrangement 70 (hereinafter also called dry layer arrangement) and one on a second side of the membrane 60 arranged second layer arrangement 80 (hereinafter also wet layer arrangement).

Die Trockenschichtanordnung 70 umfasst eine erste Strömungsschicht 72, welche eine Vielzahl, parallel zur Membran 60 verlaufender Strömungsstege 74 umfasst, welche eine Vielzahl ebenfalls parallel zur Membran 60 verlaufender Strömungskanäle 76 definieren. Die Strömungsstege 74 und Strömungskanäle 76 der ersten Strömungsschicht 70 verlaufen in der gewählten Darstellung der 3 senkrecht zur Papierebene. In gleicher Weise umfasst auch die Feuchtschichtanordnung 80 eine zweite Strömungsschicht 82 mit einer Vielzahl parallel zur Membran 60 verlaufender Strömungsstege 84, zwischen denen Strömungskanäle 86 ausgebildet werden. Die Strömungsstege 74 und Strömungskanäle 76 der Trockenschichtanordnung 70 sowie die Strömungsstege 84 und Strömungskanäle 86 der Feuchtschichtanordnung 80 verlaufen vorzugsweise dem Kreuzstromprinzip entsprechend, das heißt in Richtungen, die um 90° zueinander versetzt sind. Demnach verlaufen die Strömungsstege 84 und Strömungskanäle 86 der Feuchtschichtanordnung 80 parallel zur Papierebene gemäß der Darstellung der 3.The dry layer arrangement 70 includes a first flow layer 72 , which are a variety, parallel to the membrane 60 running flow webs 74 comprising a plurality also parallel to the membrane 60 running flow channels 76 define. The flow bridges 74 and flow channels 76 the first flow layer 70 run in the selected representation of 3 perpendicular to the paper plane. In the same way also includes the wet layer arrangement 80 a second flow layer 82 with a plurality parallel to the membrane 60 running flow webs 84 , between which flow channels 86 be formed. The flow bridges 74 and flow channels 76 the dry layer arrangement 70 as well as the flow webs 84 and flow channels 86 the damp layer arrangement 80 preferably run according to the cross-flow principle, that is, in directions which are offset by 90 ° to each other. Accordingly, the flow webs run 84 and flow channels 86 the damp layer arrangement 80 parallel to the paper plane according to the illustration of 3 ,

Erfindungsgemäß weisen die Strömungsstege 84 der Feuchtschichtanordnung 80 jeweils eine Mehrzahl von lokalen Stabilisierungsstellen 88 auf, die in Form lokaler Vergrößerungen der Stegbreiten (Ausbuchtungen) bezüglich einer parallel zur Membran 60 verlaufenden Ebene ausgebildet sind. Gestalt und Funktion werden noch anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.According to the invention, the flow webs 84 the damp layer arrangement 80 each a plurality of local stabilization sites 88 in the form of local enlargements of the ridge widths (bulges) with respect to a parallel to the membrane 60 extending level are formed. Shape and function will be explained in more detail with reference to the following figures.

Die Trockenschichtanordnung 70 mit ihren Strömungskanälen 76 dient der Leitung eines zu befeuchtenden Prozessgases, insbesondere für eine Brennstoffzelle 12, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist. Vorzugsweise dient sie der Leitung eines den Kathoden einer Brennstoffzelle zuzuführenden Prozessgases, insbesondere von Luft. Die Feuchtschichtanordnung 80 mit ihren Strömungskanälen 86 hingegen dient der Leitung eines Feuchtgases, das eine höhere Feuchtigkeit als das Prozessgas aufweist, insbesondere dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle 12. The dry layer arrangement 70 with their flow channels 76 serves to conduct a process gas to be humidified, in particular for a fuel cell 12 as they are in the 1 and 2 is shown. Preferably, it serves to conduct a process gas, in particular air, to be supplied to the cathodes of a fuel cell. The wet layer arrangement 80 with their flow channels 86 however, the line of a moist gas, which has a higher humidity than the process gas, in particular the cathode exhaust gas of the fuel cell is used 12 ,

Die Trockenschichtanordnung 70 weist ferner zwei, beidseitig an die erste Strömungsschicht 72 anschließende Abstandshalterfolien 78 auf. Die Abstandshalterfolien 78 umfassen einen umlaufenden Randbereich, der eine zentrale Ausnehmung begrenzt, das heißt sie haben die Gestalt eines Rahmens. Die Funktion der Abstandshalterfolien 78 ist, die empfindliche Membran 60 vor einem direkten Kontakt mit den Strömungsstegen 74 der Trockenschichtanordnung 70 zu schützen. Zudem wird durch den erzeugten Abstand zwischen den Stegen 74 und der Membran 60 die freie Membranfläche maximiert.The dry layer arrangement 70 also has two, on both sides of the first flow layer 72 subsequent spacer sheets 78 on. The spacer sheets 78 comprise a peripheral edge portion which defines a central recess, that is, they have the shape of a frame. The function of spacer sheets 78 is, the sensitive membrane 60 in front of a direct contact with the flow webs 74 the dry layer arrangement 70 to protect. In addition, by the generated distance between the webs 74 and the membrane 60 maximizes the free membrane area.

Die Feuchtschichtanordnung 80 hingegen weist zwei Stützfolien 90 auf, welche die zweite Strömungsschicht 82 sandwichartig einschließen. Die Stützfolie 90 zeichnet sich durch eine Vielzahl von kleinen Durchgangsöffnungen 92 aus, die beispielsweise eine kreisförmige Gestalt aufweisen können. Aufgabe der Stützfolie 90 ist, die wasserdampfpermeable Membran 60 auf ihrer Niederdruckseite mechanisch abzustützen. Gleichzeitig soll sie einen möglichst freien Gasaustausch zwischen den Strömungskanälen 86 und der Membran 60 ermöglichen.The wet layer arrangement 80 however, has two support sheets 90 on which the second flow layer 82 sandwich. The support film 90 characterized by a large number of small through holes 92 from, for example, may have a circular shape. Task of the support film 90 is the water vapor permeable membrane 60 mechanically supported on its low-pressure side. At the same time it should be as free as possible gas exchange between the flow channels 86 and the membrane 60 enable.

Es versteht sich, dass der Stapel 52 als zentrale Komponente der Befeuchtungseinrichtung 50 eine Vielzahl der in 3 dargestellten Struktureinheiten aufweist. Dabei werden abwechselnd die Trockenschichtanordnung 70 und die Feuchtschichtanordnung 80 aufeinander gestapelt, wobei jeweils eine Schicht einer wasserdampfpermeablen Membran 60 zwischengefügt wird.It is understood that the stack 52 as the central component of the humidifier 50 a variety of in 3 Having shown structural units. In this case, alternately the dry layer arrangement 70 and the wet layer arrangement 80 stacked on top of each other, each with a layer of a water vapor permeable membrane 60 is interposed.

In 3 ist ferner ersichtlich, dass der Stapel 52 einen zentralen, bezüglich der Befeuchtungswirkung aktiven Bereich 54 aufweist, der von einem Randbereich 56 rahmenförmig umgeben wird. Der eigentliche Wasserdampftransport über die Membran 60 findet lediglich im aktiven Bereich 54 statt. Der Randbereich 56 hat überwiegend Stabilisierungs- und Dichtungsfunktion. Nicht dargestellt in 3 sind Klebeschichten, die vorzugsweise zwischen sämtlichen Schichten des Stapels 52 vorhanden sind, insbesondere jeweils im Randbereich 56, so dass hier eine Verbindung der Komponenten miteinander sowie eine Abdichtung nach außen durch die Klebeschichten erfolgt.In 3 It can also be seen that the stack 52 a central, with respect to the wetting effect active area 54 that is from a peripheral area 56 surrounded by a frame. The actual water vapor transport across the membrane 60 only finds in the active area 54 instead of. The border area 56 has predominantly stabilization and sealing function. Not shown in 3 are adhesive layers, preferably between all layers of the stack 52 are present, in each case in the edge region 56 , so that here a connection of the components with each other and a seal outwards through the adhesive layers.

Einzelheiten zum Aufbau der zweiten Schichtanordnung (Feuchtschichtanordnung) 80 sowie ihrer einzelnen Komponenten sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt.Details of the structure of the second layer arrangement (wet layer arrangement) 80 as well as their individual components are shown in the following figures.

4 zeigt den Aufbau der zweiten Schichtanordnung (Feuchtschichtanordnung) 80 in einer Explosionsdarstellung. Dabei wird die zentrale Strömungsschicht 82 mit ihren Strömungsstegen und Strömungskanälen beidseitig von jeweils einer Klebstoffschicht 94 sandwichartig eingeschlossen. An die Klebeschichten 94 wiederum schließt jeweils eine Stützschicht/Stützfolie 90 an. Die Anordnung schließt mit jeweils einer weiteren Klebstoffschicht 96 ab. 4 shows the structure of the second layer arrangement (wet layer arrangement) 80 in an exploded view. This is the central flow layer 82 with their flow webs and flow channels on both sides of each one adhesive layer 94 sandwiched. To the adhesive layers 94 in turn, each includes a support layer / support film 90 at. The arrangement concludes with a further adhesive layer in each case 96 from.

Die an die Strömungsschicht 82 anschließenden Klebstoffschichten 94 haben im dargestellten Beispiel den gleichen Zuschnitt, wie Strömungsschicht 82, d. h. sie bilden auch die Stege nach. In alternativer Ausgestaltung kann jedoch der aktive Bereich 54 klebstofffrei sein, während nur der Randbereich 56 eine durchgehende Klebstoffschicht aufweist. Bei den an die Stützfolie 90 jeweils außen anschließenden Klebstoffschichten 96 ist ausschließlich im umlaufenden Randbereich 56 Klebstoff vorgesehen, während der zentrale aktive Bereich 54 klebstofffrei bleibt. Typische Schichtdicken für die Klebstoffschichten 94 und 96 liegen im Bereich von 0,01 bis 0,1 mm. Als Klebstoffe kommen insbesondere Klebstoffe auf Acryl- oder Silikonbasis in Frage.The to the flow layer 82 subsequent adhesive layers 94 have in the example shown the same blank as flow layer 82 , ie they also replicate the webs. In an alternative embodiment, however, the active area 54 be adhesive-free, while only the edge area 56 has a continuous adhesive layer. At the to the support film 90 each outer adjoining adhesive layers 96 is exclusively in the peripheral area 56 Adhesive provided during the central active area 54 remains adhesive-free. Typical layer thicknesses for the adhesive layers 94 and 96 are in the range of 0.01 to 0.1 mm. Adhesives are in particular adhesives based on acrylic or silicone in question.

Die einzelnen in 4 dargestellten Schichten der Feuchtschichtanordnung 80 werden miteinander verfügt. Das Verfügen kann beispielsweise mittels kontinuierlicher Rollenprozesse erfolgen. Vorteilhaft ist auch, die äußeren Klebeschichten 96 zunächst noch von einer Trägerfolie (Papier oder Kunststoff) beschichtet zu halten, welche erst vor dem Verfügen und Verpressen mit der Membran 60 entfernt wird. Anschließend wird das Gefüge an den in 4 erkennbaren Schnittkanten auf das Endmaß beschnitten.The individual in 4 illustrated layers of the wet layer arrangement 80 are arranged with each other. The disposal can take place, for example, by means of continuous roll processes. It is also advantageous, the outer adhesive layers 96 initially to be coated by a carrier film (paper or plastic) to keep, which only before disposing and pressing with the membrane 60 Will get removed. Subsequently, the structure of the in 4 visible cut edges trimmed to the final dimensions.

5A zeigt ein Beispiel für die zweite Strömungsschicht 82 der Feuchtschichtanordnung 80 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in einer Draufsicht vor ihrem Zuschnitt auf Endmaß. Eine Vergrößerung des Details B aus 5A zeigt 5B. Erkennbar sind in dem aktiven Bereich 54 eine Vielzahl von Strömungsstegen 84 der Folie ausgebildet, welche dazwischen verlaufende Strömungskanäle 86 begrenzen. Als Material für die als Folie ausgebildete zweite Strömungsschicht 82 kommen insbesondere Kunststoffe, wie Polyetherketone (PEEK), Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU) und dergleichen, oder Metalle, insbesondere Edelstähle und Leichtmetalle wie Aluminium oder Magnesium und deren Legierungen, in Frage. Geeignete Schichtdicken liegen im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm, insbesondere von 0,3 bis 0,8 mm. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Schichtdicke der zweiten Strömungsschicht 82 und damit die Steghöhe (H) 0,5 mm. Die Strömungskanäle 86 können beispielsweise mittels Laserschneiden oder mittels Ausstanzen aus einer durchgehenden Folie erzeugt werden. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Breite der Strömungskanäle (86) 2,0 mm. 5A shows an example of the second flow layer 82 the damp layer arrangement 80 according to a first embodiment of the invention in a plan view before cutting to final dimensions. An enlargement of detail B off 5A shows 5B , Recognizable are in the active area 54 a variety of flow webs 84 the film formed, which intervening flow channels 86 limit. As a material for the film formed as a second flow layer 82 In particular, plastics such as polyether ketones (PEEK), polyetherimides (PEI), polysulfones (PSU) and the like, or metals, in particular stainless steels and light metals such as aluminum or magnesium and their Alloys, in question. Suitable layer thicknesses are in the range of 0.1 to 1.0 mm, in particular from 0.3 to 0.8 mm. In the present example, the layer thickness of the second flow layer 82 and thus the web height (H) 0.5 mm. The flow channels 86 can be generated for example by means of laser cutting or punching out of a continuous film. In the present example, the width of the flow channels ( 86 ) 2.0 mm.

Die Strömungsstege 84 weisen eine Stegbreite B (s. 5B) im Bereich von 0,2 bis 1,0 mm, insbesondere von 0,3 bis 0,6 mm, im vorliegenden Beispiel von 0,4 mm auf. Erfindungsgemäß weisen die Stege 84 Stabilisierungsstellen 88 auf. Diese sind als lokale Vergrößerungen der Stegbreite B ausgebildet. Die Stabilisierungsstellen 88 sind vorzugsweise in regemäßigen Abständen über die einzelnen Steglängen verteilt, hier mit einem Abstand von beispielsweise 6 mm. Eine besonders gleichmäßige Stützwirkung wird erzielt, wenn wie dargestellt die Stabilisierungsstellen 88 zweier benachbarter Stege 84 versetzt zueinander angeordnet sind. Die Stabilisierungsstellen 88 können beliebige Gestaltungen aufweisen, beispielsweise eine runde Gestalt. Die Stabilisierungsstellen 88 erlauben eine gegenüber bekannten Ausführungen verringerte Stegbreite B, da die Stabilisierungsstellen 88 ein unerwünschtes Verdrehen der im Querschnitt rechteckigen Stege 84 verhindern, insbesondere wenn der Anpressdruck im Stapel nicht exakt senkrecht auf die Stege 84 einwirkt. Zudem stellen die Stabilisierungsstellen 88 lokal vergrößerte Stützflächen für die Stützschicht 90 und somit für die Membran 60 dar, so dass die gesamte Stützfläche vergrößert wird.The flow bridges 84 have a web width B (s. 5B ) in the range of 0.2 to 1.0 mm, in particular from 0.3 to 0.6 mm, in the present example of 0.4 mm. According to the invention, the webs 84 stabilization points 88 on. These are designed as local enlargements of the web width B. The stabilization sites 88 are preferably distributed at regular intervals over the individual web lengths, here with a distance of, for example, 6 mm. A particularly uniform support effect is achieved when, as shown, the stabilization sites 88 two adjacent bridges 84 offset from one another. The stabilization sites 88 may have any shapes, such as a round shape. The stabilization sites 88 allow a comparison with known designs reduced web width B, since the stabilization points 88 an undesirable twisting of the cross-sectionally rectangular webs 84 prevent, especially if the contact pressure in the stack is not exactly perpendicular to the webs 84 acts. In addition, the stabilizers represent 88 locally enlarged support surfaces for the support layer 90 and thus for the membrane 60 so that the entire support surface is increased.

In dem in 5B dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Strömungsstege 84 an ihren Endabschnitten 98 Stegbreiten auf, die gegenüber der allgemeinen Stegbreite B der mittleren Abschnitten zwischen den Stabilisierungsstellen 88 beispielsweise um einen Faktor von 1,5 oder mehr vergrößert sind. Im dargestellten Beispiel beträgt die Breite der Stege 84 an den Endabschnitten ebenso wie die Breite der Stege 84 an den Stabilisierungsstellen (88) 1,0 mm. Durch die verbreiterten Endabschnitte 98 wird eine weitere Stabilisierung der Stege 84 gegenüber Verdrehen und eine weitere Vergrößerung der Stützfläche erzielt.In the in 5B illustrated embodiment, the flow webs 84 at their end sections 98 Web widths, which are opposite to the general web width B of the middle sections between the stabilization points 88 For example, increased by a factor of 1.5 or more. In the example shown, the width of the webs 84 at the end sections as well as the width of the webs 84 at the stabilization sites ( 88 ) 1.0 mm. Through the widened end sections 98 will further stabilize the bars 84 achieved against twisting and further enlargement of the support surface.

6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Strömungsschicht 82 für eine Feuchtschichtanordnung 80. Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten Beispiel weisen die Strömungsstege 84 keine verbreiterten Endabschnitte auf (s. Detail A in 6B). Darüber hinaus gelten die gleichen Eigenschaften, die im Zusammenhang mit 5 diskutiert wurden. 6 shows a further embodiment of a flow layer according to the invention 82 for a wet layer arrangement 80 , Unlike the in 5 Example shown have the flow webs 84 no widened end sections (see detail A in 6B ). In addition, the same characteristics apply with regard to 5 were discussed.

7A zeigt noch ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Strömungsschicht 82 für eine Feuchtschichtanordnung 80. Die Ausbildung der Stege 84 und der Stabilisierungsstellen 88 entspricht im Wesentlichen den vorausgehenden Beispielen, wie in der Detailansicht nach 7B erkennbar ist. 7A shows yet another inventive embodiment of a flow layer 82 for a wet layer arrangement 80 , The training of the webs 84 and the stabilization sites 88 Corresponds essentially to the preceding examples, as in the detail view 7B is recognizable.

Eine Schnittansicht eines einzelnen Stegs 84 gemäß Schnitt A-A nach 7B ist in 7C zu sehen. Im Unterschied zu den in den 5 und 6 dargestellten Beispielen weisen die Strömungsstege 84 keine einheitliche Steghöhe H auf. Vielmehr weisen die Stege 84 lokale Verringerungen 100 der Steghöhe H bezüglich einer orthogonal zur Membran 60 verlaufenden Ebene auf. Auf diese Weise werden zwischen den Steghöhenverringerungen 100, also da, wo die Stege 84 ihre volle Steghöhe H aufweisen, Stützflächen 102 für die Membran 60 bzw. die Stützfolie 90 ausgebildet. Gemäß 7C sind die Abschnitte zwischen jeweils zwei Stabilisierungsstellen 88 mit einer solchen Steghöhenverringerung 100 ausgebildet, so dass an den Stabilisierungsstellen 88 gleichzeitig Stützflächen 102 für die Stützfolie 90 vorliegen. An den Steghöhenverringerung 100 zwischen den Stützflächen 102 hat die Stützfolie 90 keinen Kontakt zu dem Steg 84.A sectional view of a single bridge 84 according to section AA after 7B is in 7C to see. Unlike the ones in the 5 and 6 Examples shown have the flow webs 84 no uniform web height H up. Rather, the webs have 84 local reductions 100 the ridge height H with respect to an orthogonal to the membrane 60 extending level. In this way, between the bridge height reductions 100 So, where, where the webs 84 have their full web height H, supporting surfaces 102 for the membrane 60 or the support film 90 educated. According to 7C are the sections between each two stabilization points 88 with such a ridge height reduction 100 formed so that at the stabilization sites 88 at the same time supporting surfaces 102 for the support film 90 available. At the footbridge height reduction 100 between the support surfaces 102 has the support film 90 no contact with the jetty 84 ,

Grundsätzlich ist die gesamte Stützfläche der Strömungsschicht 82 so zu wählen, dass eine ausreichende Auflagefläche und somit ausreichende Stützwirkung für die Membran 60 und die Stützfolie 90 gewährleistet ist. Es konnte gezeigt werden, dass eine punktuelle Stützung der Folie 90 ausreichend ist, solange an diesen Stützstellen die auftretenden Kräfte durch den Druckunterschied zwischen der Trockenschichtanordnung 70 und der Feuchtschichtanordnung 80 aufgenommen werden können.Basically, the entire support surface of the flow layer 82 to choose so that a sufficient contact surface and thus sufficient support effect for the membrane 60 and the backing sheet 90 is guaranteed. It could be shown that a selective support of the film 90 is sufficient, as long as the forces occurring at these support points by the pressure difference between the dry layer arrangement 70 and the wet layer arrangement 80 can be included.

Beispielsweise kann die Steghöhe an der Stelle einer Steghöhenverringerung 100 um 0,1 mm gegenüber der vollen Steghöhe H vermindert sein. Bei einer Folienstärke der Strömungsschicht 82 und damit einer vollen Steghöhe H von z. B. 0,5 mm beträgt die Steghöhe an der Stelle der Steghöhenverringerung 100 somit 0,4 mm.For example, the ridge height may be at the location of a ridge height reduction 100 be reduced by 0.1 mm from the full web height H. For a film thickness of the flow layer 82 and thus a full web height H of z. B. 0.5 mm is the web height at the location of the ridge height reduction 100 thus 0.4 mm.

Eine alternative Ausgestaltung eines Strömungsstegs 84 mit Steghöhenverringerungen 100 ist in 7D an einer Schnittansicht dargestellt. Hier erstrecken sich die Steghöhenverringerungen 100 nicht über die gesamten Abschnitte zwischen zwei Stabilisierungsstellen 88. Vielmehr sind die Steghöhenverringerungen 100 so angeordnet, dass auch zwischen den beiden dargestellten Stabilisierungsstellen 88 zusätzliche Stützflächen 102 ausgebildet werden.An alternative embodiment of a flow web 84 with bar height reductions 100 is in 7D shown on a sectional view. Here the ridge height reductions extend 100 not over the entire sections between two stabilization points 88 , Rather, the ridge height reductions 100 arranged so that even between the two illustrated stabilization sites 88 additional support surfaces 102 be formed.

8A zeigt ein Beispiel für eine Stützfolie 90 aus 4 in Draufsicht, die in ihrem aktiven Bereich 54 eine Vielzahl von Öffnungen 92 aufweist. In der Detaildarstellung in 8B ist erkennbar, dass in dem vorliegenden Beispiel die Öffnungen 92 eine kreisrunde Gestalt aufweisen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Durchgangsöffnungen 92 einen Durchmesser von 0,6 mm auf, wobei eine Fläche in dem aktiven Bereich 78 etwa 58% betrug. Die Schichtdicke der Stützfolie 90 beträgt hier 0,05 mm. Für die Materialien kommen grundsätzlich die im Zusammenhang mit der Strömungsschicht 82 diskutierten Materialien infrage, insbesondere Edelstahl. 8A shows an example of a support sheet 90 out 4 in plan view, in their active area 54 a variety of openings 92 having. In the detailed representation in 8B It can be seen that in the present example, the openings 92 have a circular shape. According to the present embodiment, the through holes 92 a diameter of 0.6 mm, with one surface in the active area 78 about 58%. The layer thickness of the support film 90 here is 0.05 mm. For the materials basically come in connection with the flow layer 82 discussed materials, especially stainless steel.

9 zeigt weitere Details zum Aufbau der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung 50. Demnach wird der Stapel 52, von dem hier lediglich exemplarisch eine einzelne Trocken- oder Feuchtschichtanordnung gezeigt ist, in einer Halterungskassette 104 zwischen zwei Endplatten 106 angeordnet. Dabei werden die vielen Trocken- oder Feuchtschichtanordnungen sowie die dazwischen angeordneten Membranen in der Kassette 90 dichtend aufeinander gepresst. 9 shows further details of the structure of the moistening device according to the invention 50 , Accordingly, the pile is 52 , of which only a single dry or wet layer arrangement is shown here by way of example, in a mounting cassette 104 between two end plates 106 arranged. The many dry or damp layer arrangements and the membranes arranged between them in the cassette 90 sealingly pressed together.

Die Halterungskassette 104 mit dem darin befindlichen Befeuchterstapel 52 wird dann in einem nicht dargestellten Gehäuse angeordnet, das Anschlüsse für das der Brennstoffzelle zuzuführende und zu befeuchtende Prozessgas sowie für das aus der Brennstoffzelle abgeführte feuchte Abgas aufweist. Beispielsweise kann das trockene Prozessgas durch die in 9 oben liegende offene Seitenfläche der Kassette 104 in den Stapel 52 eingeleitet und aus der unten liegenden Seite der Kassette abgeleitet werden. Auf der anderen Seite kann das relativ feuchte Abgas der Brennstoffzelle durch die vordere offene Seite der Kassette 104 in den Stapel 52 eingeleitet und durch die in der Darstellung hinten liegende offene Seite abgeleitet werden. Zur Trennung der entsprechenden Räume kann das Gehäuse über entsprechende Dichtungen verfügen.The mounting cassette 104 with the humidifier stack inside 52 is then arranged in a housing, not shown, which has connections for the fuel cell to be supplied and to be humidified process gas and for the discharged from the fuel cell moist exhaust gas. For example, the dry process gas by the in 9 overhead open side surface of the cassette 104 in the pile 52 introduced and derived from the bottom side of the cassette. On the other hand, the relatively humid exhaust gas of the fuel cell may leak through the front open side of the cassette 104 in the pile 52 initiated and derived by the rear side open in the diagram. To separate the corresponding spaces, the housing may have appropriate seals.

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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Claims (10)

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, dadurch gekennzeichnet, 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.Humidifying 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, a plurality of parallel to the membrane ( 60 ) running flow webs ( 74 ), which flow channels ( 76 ), and c) one, on a second side of the membrane ( 60 ) arranged second layer arrangement ( 80 ), comprising a second flow layer ( 82 ) for conducting a wet gas, which is a plurality parallel to the membrane ( 60 ) running flow webs ( 84 ), which flow channels ( 86 ), characterized in that at least a part of the flow webs ( 84 ) of the second flow layer ( 80 ) with a plurality of stabilization sites ( 88 ) in the form of local enlargements of the web widths (B) with respect to a parallel to the membrane ( 60 ) extending level are formed. Befeuchtungseinrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstege (84) der zweiten Strömungsschicht (80) Stegbreiten (B) außerhalb der Stabilisierungsstellen (88) von höchstens 1,0 mm, insbesondere von höchstens 0,6 mm, vorzugsweise von höchstens 0,4 mm, aufweisen.Humidifying device ( 50 ) according to claim 1, characterized in that the flow webs ( 84 ) of the second flow layer ( 80 ) Web widths (B) outside the stabilization sites ( 88 ) of not more than 1.0 mm, in particular not more than 0.6 mm, preferably not more than 0.4 mm. Befeuchtungseinrichtung (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsstege (84) der zweiten Strömungsschicht (80) an ihren Endabschnitten (98) größere Stegbreiten aufweisen als an mittleren Abschnitten zwischen den Stabilisierungsstellen (88).Humidifying device ( 50 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the flow webs ( 84 ) of the second flow layer ( 80 ) at their end sections ( 98 ) have larger web widths than at middle portions between the stabilization sites ( 88 ). Befeuchtungseinrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Strömungsstege (84) der zweiten Strömungsschicht (80) lokale Verringerungen (100) der Steghöhe (H) bezüglich einer orthogonal zur Membran (60) verlaufenden Ebene aufweisen.Humidifying device ( 50 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the flow webs ( 84 ) of the second flow layer ( 80 ) local reductions ( 100 ) of the web height (H) with respect to an orthogonal to the membrane ( 60 ) level. Befeuchtungseinrichtung (50) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Steghöhenverringerungen (100) zwischen den Stabilisierungsstellen (88) angeordnet sind.Humidifying device ( 50 ) according to claim 4, characterized in that the local land height reductions ( 100 ) between the stabilization sites ( 88 ) are arranged. Befeuchtungseinrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schichtanordnung (80) ferner zwei, beidseitig an die zweite Strömungsschicht (82) anschließende gasdurchlässige Stützschichten (90) aufweist.Humidifying device ( 50 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second layer arrangement ( 80 ) Furthermore, two, on both sides of the second flow layer ( 82 ) subsequent gas-permeable supporting layers ( 90 ) having. Befeuchtungseinrichtung (50) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässigen Stützschichten (90) als Stützfolien mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (92) ausgebildet sind.Humidifying device ( 50 ) according to claim 6, characterized in that the gas-permeable supporting layers ( 90 ) as support foils having a plurality of passage openings ( 92 ) are formed. Befeuchtungseinrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtanordnung (70) ferner zwei, beidseitig an die erste Strömungsschicht (72) anschließende Abstandshalterfolien (78) umfasst, welche einen umlaufenden Rahmenbereich und wenigstens eine, von dem umlaufenden Rahmenbereich begrenzte zentrale Ausnehmung aufweisen.Humidifying device ( 50 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first layer arrangement ( 70 ) Furthermore, two, on both sides of the first flow layer ( 72 ) adjoining spacer foils ( 78 ), which have a peripheral frame portion and at least one, bounded by the peripheral frame portion central recess. Befeuchtungseinrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (52) der sich wiederholenden Komponenten in einem Gehäuse angeordnet ist, das ausgebildet ist, die Vielzahl erster Strömungsschichten (70) mit einer Prozessgaszuleitung (30, 44) einer Brennstoffzelle (12) zu verbinden und die Vielzahl zweiter Strömungsschichten (82) mit einer Abgasableitung (34, 48) einer Brennstoffzelle (12) zu verbinden.Humidifying device ( 50 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the stack ( 52 ) of the repeating components is arranged in a housing, which is formed, the plurality of first flow layers ( 70 ) with a process gas supply ( 30 . 44 ) a fuel cell ( 12 ) and the plurality of second flow layers ( 82 ) with an exhaust gas discharge ( 34 . 48 ) a fuel cell ( 12 ) connect to. Brennstoffzellenanordnung (10), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Vielzahl von Kathodenabschnitten und einer Vielzahl von Anodenabschnitten, eine Anodenprozessgasversorgung (28) und eine Kathodenprozessgasversorgung (42), wobei die Kathodenprozessgasversorgung (42) und/oder die Anodenprozessgasversorgung (28) eine Befeuchtungseinrichtung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Befeuchtung eines Kathodenprozessgases beziehungsweise eines Anodenprozessgases umfasst.Fuel cell assembly ( 10 ) comprising a fuel cell stack ( 12 ) having a plurality of cathode portions and a plurality of anode portions, an anode process gas supply ( 28 ) and a cathode process gas supply ( 42 ), wherein the cathode process gas supply ( 42 ) and / or the anode process gas supply ( 28 ) a humidifying device ( 50 ) according to one of claims 1 to 9 for humidifying a cathode process gas or an anode process gas.
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