DE102014003959A1

DE102014003959A1 - Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014003959A1
Application number: DE102014003959.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Harenbrock
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-03-21
Also published as: US9812720B2; DE102014003959B4; US20150270561A1; CN104934618B; CN104934618A

Abstract

Eine Befeuchtungseinrichtung weist mindestens eine wasserdurchlässige Gewebelage auf, an der an gegenüberliegenden Seiten ein Gasstrom mit höherem und mit niedrigerem Feuchtigkeitsgehalt entlanggeführt wird. Auf der Seite des Gasstroms mit höherem Feuchtigkeitsgehalt ist der Gewebelage eine hydrophile Zusatzlage vorgeschaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise für eine Brennstoffzelle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der DE 10 2009 034 095 A1 und der EP 1 261 992 B1 werden Befeuchtungseinrichtungen für Brennstoffzellen beschrieben, die mehrere, übereinanderliegende Membranen aufweisen, die Strömungskanäle zum Hindurchführen feuchter und trockener Luft separieren. Durch die Membrane dringen Wassermoleküle vom feuchten zum trockenen Luftstrom, der sich hierdurch mit Feuchtigkeit anreichert. Als feuchter Eingangsluftstrom kann das Abgas der Brennstoffzelle verwendet werden, dessen Feuchtigkeit durch die Membran auf einen Frischluftstrom übertragen wird, welcher dem Eingang des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, um in einer elektrochemischen Reaktion Strom zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Befeuchtungseinrichtung zu schaffen, mit der in effizienter Weise Feuchtigkeit von einem feuchten auf einen trockenen Gasstrom übertragbar ist, wobei die Gasströme voneinander separiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann Feuchtigkeit von einem Gasstrom mit höherem Feuchtigkeitsanteil auf einen Gasstrom mit geringerem Feuchtigkeitsanteil übertragen werden. Bei den Gasströmen handelt es sich insbesondere um Luftströme. Die Befeuchtungseinrichtung wird beispielsweise für Brennstoffzellen eingesetzt, in denen auf elektrochemische Weise Strom erzeugt wird. Hierbei wird die in der Befeuchtungseinrichtung mit Feuchtigkeit angereicherte Luft dem Eingang der Brennstoffzelle zugeführt. Ausgangsseitig verlässt Abluft mit einem verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt die Brennstoffzelle; diese Abluft wird durch die Befeuchtungseinrichtung geführt, in der die Feuchtigkeit an den herangeführten Frischluftstrom abgegeben wird.
Möglich ist auch ein Einsatz der Befeuchtungseinrichtung in weiteren technischen Gebieten, beispielsweise zur Befeuchtung der Atemluft in geschlossenen Räumen oder Kabinen wie zum Beispiel in Flugzeugen.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung weist als Trennschicht zwischen den Gasströmen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalts eine Gewebelage auf. Die Gewebelage kann natürliche Fasern aufweisen, beispielsweise Baumwollfasern, und bei Kontakt mit dem feuchten Gasstrom aufquellen. Hierdurch wird zum einen eine Separierung der Gasströme erzielt, zum andern kann die aufgenommene Feuchtigkeit von dem Gasstrom mit höherem Feuchtigkeitsgehalt auf den Gasstrom mit geringerem Feuchtigkeitsgehalt übertragen werden. Der Gewebelage kommt somit zusätzlich zum Feuchtigkeitstransport zwischen den Gasströmen auch eine dichtende, separierende Funktion zu, um eine Vermischung der Gasströme zu verhindern. Damit ist gewährleistet, dass nur die Feuchtigkeit, nicht jedoch das Gas zwischen den Strömen übertragen wird.
Eine Gewebelage zwischen den Gasströmen vorzusehen, stellt eine einfache, kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung einer Befeuchtungseinrichtung dar. Der Gewebelage kommt hierbei im Prinzip die gleiche Funktion wie eine Membran zu.
Der Gewebelage ist auf der Seite des Gasstroms mit höherem Feuchtigkeitsanteil eine Zusatzlage unmittelbar vorgeschaltet. Die Zusatzlage, die vorteilhafterweise parallel zur Gewebelage liegt und sich zumindest annähernd über die gleiche Fläche erstreckt, weist hydrophile Eigenschaften auf und ist separat von der Gewebelage ausgeführt. Die Zusatzlage hat die Funktion eines Zwischenspeichers, sie nimmt in kurzer Zeit Feuchtigkeit aus dem Gasstrom mit höherem Feuchtigkeitsanteil auf und kann die Feuchtigkeit aufgrund ihrer unmittelbar an die Gewebelage angrenzenden Position direkt an diese weitergeben. Dies ermöglicht es, die Zeitdauer zu verkürzen, die erforderlich ist, dass die Gewebelage Feuchtigkeit aufnimmt und aufquillt und somit die beiden Gasströme voneinander separiert, sowie die aufgenommene Feuchtigkeit an den trockenen Gasstrom abgibt. Diese Zeitdauer – die Totzeit des Systems – kann durch das Vorschalten der hydrophilen Zusatzlage auf der Seite des feuchten Gasstroms signifikant verkürzt werden.
Die Zusatzlage kann sich in ihren physikalischen Eigenschaften von der Gewebelage unterscheiden. Es ist insbesondere möglich, ein anderes Material für die Zusatzlage als für die Gewebelage vorzusehen. So weist die Zusatzlage beispielsweise Kunststofffasern auf, zum Beispiel Viskose-Fasern, wobei die Zusatzlage entweder vollständig aus einem Kunststoffmaterial besteht oder aus einer Mischung von verschiedenen Kunststoffmaterialien wie Viskose und sonstige Kunststoffe oder einer Mischung aus Kunststoffmaterial und natürlichen Fasern. Vorteilhafterweise besitzt die Zusatzlage ausgeprägtere hydrophile Eigenschaften als die Gewebelage, um eine möglichst rasche Aufnahme von Feuchtigkeit aus dem Gasstrom sowie eine Abgabe an die Gewebelage zu gewährleisten. Die Aufnahme der Feuchtigkeit erfolgt in der hydrophilen Zusatzlage schneller als in der Gewebelage, so dass die Feuchtigkeit aus dem Gasstrom in einer effizienten Weise in der Zusatzlage aufgenommen wird. Aufgrund des engen Kontakts wird die Feuchtigkeit von der Zusatzlage rasch auf die Gewebelage übertragen.
Der Feuchtigkeitstransport kann durch Verwendung einer Zusatzlage, in der die Fasern eine Vorzugsrichtung aufweisen, beschleunigt werden. Ebenfalls förderlich ist die Verwendung von Fasern mit nicht-kreisförmigen Querschnitten wie tri- oder pentalobale Fasern, wobei die Faserform selbst Kanäle bildet, durch die das Wasser schneller und gerichtet zur Gewebelage geleitet werden kann.
Die Zusatzlage kann gegebenenfalls vollständig oder abschnittsweise auf Kontakt zur Gewebelage liegen. Im Falle eines Abstandes zwischen Zusatzlage und Gewebelage ist dieser so klein bemessen, dass die Feuchtigkeitsübertragung von der Zusatzlage auf die Gewebelage effizient erfolgen kann.
Vorteilhafterweise ist die Zusatzlage nur punkt- oder abschnittsweise mit der Gewebelage verbunden. Über die Verbindung wird eine Mehrlagenstruktur mit zusammenhängender Zusatz- und Gewebelage geschaffen. Zugleich ist gewährleistet, dass keine oder zumindest keine signifikante Einschränkung durch die Verbindungsstellen beim Feuchtigkeitstransport von der Zusatz- auf die Gewebelage gegeben ist. Die punkt- oder abschnittsweise Verbindung erfolgt beispielsweise durch Bonding, insbesondere Ultraschallbonding oder Thermobonding. Es kommen aber auch sonstige Verbindungsmöglichkeiten in Betracht, insbesondere mechanische Verbindungsarten wie Nähen, oder chemische Verbindungen wie punkt- oder abschnittsweises Kleben.
Des Weiteren ist es möglich, die Zusatzlage und die Gewebelage lediglich im Randbereich miteinander zu verbinden, so dass der mittlere Bereich frei von Verbindungsstellen ist. Es ist aber auch möglich, im mittleren Bereich zwischen der Zusatzlage und der Gewebelage Verbindungsstellen vorzusehen, zwischen denen jedoch freie Abschnitte ohne Verbindung liegen, um den gewünschten Feuchtigkeitstransport zwischen den Lagen gewährleisten zu können.
Da der Zusatzlage keine separierende Funktion zwischen den Gasströmen zukommt, kann ein leichtes Gewebe für die Zusatzlage verwendet werden, das beispielsweise ein Flächengewicht zwischen 30 g/m² und 70 g/m² aufweist. Die Gewebelage kann demgegenüber ein höheres Flächengewicht besitzen. Vorteilhafterweise ist die Dicke der Zusatzlage kleiner als diejenige der Gewebelage.
Es kommen sowohl ebene Ausführungen der Mehrlagenstruktur, umfassend die Gewebelage und die Zusatzlage, als auch nicht-ebene Ausführungen in Betracht. Bei einer ebenen Ausführung liegen die verschiedenen Lagen der Mehrlagenstruktur jeweils in einer Ebene und sind parallel zueinander ausgerichtet. Bei einer nicht-ebenen Ausführung sind sowohl gekrümmte oder wellenförmige Ausführungen als auch gefaltete Ausführungen möglich; auch bei nicht-ebenen Ausführungen liegen die Gewebelage und die Zusatzlage vorteilafterweise parallel zueinander.
Die Mehrlagenstruktur weist mindestens eine Zusatzlage auf, die auf der feuchten Gasstromseite an der Gewebelage anliegt. Es ist aber auch möglich, mehrere Zusatzlagen vorzusehen, welche jedoch vorzugsweise alle auf der feuchten Gasstromseite liegen.
Die Zusatzlage kann gegebenenfalls als Vlies aus Superabsorber-Fasern ausgebildet sein, die unter Feuchtigkeitszutritt rasch aufquellen, wodurch Gasdichtigkeit erreicht wird und die Gasströme separiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle mit einer in einem Gehäuse eingesetzten Kartusche, welche mehrere parallel zueinander angeordnete, wasserdurchlässige Gewebelagen enthält, die auf unterschiedlichen Seiten von Gasströmen mit unterschiedlich hohem Feuchtigkeitsgehalt angeströmt werden,
2 eine schematische Darstellung einer ebenen Mehrlagenstruktur mit einer Gewebelage und einer Zusatzlage,
3 eine Darstellung einer gefalteten Mehrlagenstruktur.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine Befeuchtungseinrichtung 1 für eine Brennstoffzelle dargestellt, über die der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit angereicherte Frischluft, welche eine Mindestfeuchte aufweist, zugeführt wird. Die Befeuchtungseinrichtung 1 weist in einem Gehäuse 2 eine Kartusche 3 auf, welche dazu dient, die in einem Abgasstrom 7 enthaltene Feuchtigkeit auf einen trockenen Frischluftstrom 6 zu übertragen, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kartusche 3 weist eine Stapeleinheit mit einer Mehrzahl übereinander gestapelter, wasserdurchlässiger Gewebelagen auf, die jeweils Luftströme 6, 7 mit unterschiedlich hohem Feuchtigkeitsgehalt separieren. Die Gewebelagen trennen die Luftströme voneinander und ermöglichen zugleich einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen den Luftströmen 6, 7, so dass der trockene Frischluftstrom 6 Feuchtigkeit vom feuchten Abgasstrom 7 aufnimmt.
Das Gehäuse 2 der Befeuchtungseinrichtung 1 ist mit einem Frischluftkanal 4 versehen, über den Umgebungsluft als Frischluftstrom 6 herangeführt wird. Der Frischluftkanal 4 umfasst einen Zufuhrabschnitt 4a stromauf der Kartusche 3 sowie einen Ableitungsabschnitt 4b stromab der Kartusche.
In einem 90°-Winkel versetzt zum Frischluftkanal 4 ist das Gehäuse 2 mit einem Abgaskanal 5 versehen, über den Abgase der Brennstoffzelle, welche mit Feuchtigkeit angereichert sind, als Abgasstrom 7 durch die Kartusche hindurchgeführt werden. Der Abgaskanal 5 weist einen Zufuhrabschnitt 5a stromauf der Kartusche 3 und einen Ableitungsabschnitt 5b stromab der Kartusche auf.
Der Frischluftstrom 6 und der Abgasstrom 7 kreuzen sich entsprechend der Ausrichtung der Kanäle 4 und 5 in einem 90°-Winkel, jedoch sind die Luftströme 6 und 7 innerhalb der Kartusche 3 von den wasserdurchlässigen Gewebelagen separiert, die lediglich einen Wasseraustausch von dem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Abgasstrom 7 auf den trockenen Frischluftstrom 6 erlauben.
Die Anordnung der zwei Gasströme kann in anderen Winkeln als dem in der Figur gezeigten Winkel von 90° erfolgen, z. B. als Anordnung im Gegenstrom mit einem Winkel zwischen den beiden Gasströmen von 180°, oder sonstigen vorteilhaften Ausführungen.
In 2 ist eine Gewebelage 9 in Einzeldarstellung gezeigt, die Bestandteil einer Mehrlagenstruktur 8 ist, zu der außerdem eine Zusatzlage 10 gehört. Die Mehrlagenstruktur 8 mit der Gewebelage 9 und der Zusatzlage 10 ist eben ausgebildet, die Gewebelage 9 und die Zusatzlage 10 liegen unmittelbar aneinander. Die Gewebelage 9, welche gemeinsam mit der Zusatzlage 10 den Abgasstrom 7 von dem Frischluftstrom 6 separiert, kann aus einem natürlichen Fasermaterial bestehen, beispielsweise aus Baumwolle. Mit dem Aufnehmen von Feuchtigkeit beginnt die Gewebelage 9 aufzuquellen, wodurch Dichtigkeit zwischen den Gasströmen 6 und 7 erreicht wird. Zugleich nimmt die Gewebelage 9 Feuchtigkeit von dem feuchten Abgasstrom 7 auf, die an den trockenen Frischluftstrom 6 abgegeben wird.
Die Zusatzlage 10 befindet sich auf der Seite der Gewebelage 9, die dem feuchten Abgasstrom 7 zugewandt ist. Die Zusatzlage 10 besteht vorteilhafterweise aus Kunststofffasern, beispielsweise Viskose oder einem Gemisch aus Fasern unterschiedlicher Kunststoffmaterialien. Die Zusatzlage 10 ist zweckmäßigerweise dünner als die Gewebelage 9 ausgebildet und weist vorzugsweise ein Flächengewicht von 30 g/m² bis 70 g/m² auf.
Die Zusatzlage 10 besitzt stark hydrophile Eigenschaften und ist in der Lage, in kurzer Zeit Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom 7 aufzunehmen. Hierdurch entsteht an der dem Abgasstrom 7 zugewandten Seite der Gewebelage 9 eine verhältnismäßig hohe Wasserkonzentration, die zu einer raschen Aufnahme des Wassers in der Gewebelage 9 führt. Insgesamt wird hierdurch die Aufnahme von Wasser in die Gewebelage 9 einschließlich des Aufquellens der Gewebelage unterstützt. Dementsprechend erfolgen auch in kürzerer Zeit das Separieren der Gasströme sowie die Abgabe von Feuchtigkeit an den trockenen Frischluftstrom 6.
Die Zusatzlage 10 ist über einzelne Verbindungsstellen 11 mit der Gewebelage 9 verbunden, beispielsweise durch Ultraschall- oder Thermobonding. Die Verbindungsstellen 11 sind lediglich punktförmig ausgebildet bzw. erstrecken sich bezogen auf die Gesamtfläche der Lagen 9 und 10 über eine nur kleine Fläche, um den Feuchtigkeitsübergang von der Zusatzlage 10 auf die Gewebelage 9 nicht zu behindern.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Mehrlagenstruktur 8 dargestellt, die eine Gewebelage 9 und eine hydrophile Zusatzlage 10 umfasst. Der grundsätzliche Aufbau und die Eigenschaften entsprechen denjenigen aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 2. Gemäß 3 ist die Mehrlagenstruktur 8 jedoch nicht eben, sondern faltenförmig ausgebildet, wobei die Gewebelage 9 und die hydrophile Zusatzlage 10 in allen Faltenabschnitten parallel zueinander liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009034095 A1 [0002]
EP 1261992 B1 [0002]

Claims

Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer in einem Gehäuse (2) angeordneten wasserdurchlässigen Gewebelage (9), an der an gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Gasstrom (7) mit höherem Feuchtigkeitsanteil und ein Gasstrom (6) mit geringerem Feuchtigkeitsanteil entlanggeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebelage (9) auf der Seite des Gasstroms (7) mit höherem Feuchtigkeitsanteil eine separat ausgeführte, hydrophile Zusatzlage (10) unmittelbar vorgeschaltet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) zumindest abschnittsweise auf Kontakt zu der Gewebelage (9) liegt.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) mit der Gewebelage (9) punkt- oder abschnittsweise verbunden ist.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) durch Bonding mit der Gewebelage (9) verbunden ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) Viskose enthält.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) als Kunstfasermischung ausgeführt ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) ein Flächengewicht von 30 g/m² bis 70 g/m² aufweist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) Fasern mit einer Kanalstruktur aufweisen.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlage (10) Fasern mit einer Vorzugsrichtung aufweisen.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewebelage (9) Baumwolle enthält.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenstruktur (8) mit der Gewebelage (9) und der Zusatzlage (10) eben ausgebildet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenstruktur (8) mit der Gewebelage (9) und der Zusatzlage (10) gefaltet ausgebildet ist.