DE102014007677A1

DE102014007677A1 - Behandlungseinrichtung zum Behandeln von Abgas eines Brennstoffzellenstapels, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014007677A1
Application number: DE102014007677.6A
Authority: DE
Inventors: Leif-Patrik Barthel; Simon Hollnaicher; Alfred Kolbe
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26
Also published as: JP2017523556A; EP3155683A1; EP3155683B1; CN106463744B; JP6330059B2; US20170092966A1; CN106463744A; WO2015176806A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Behandlungseinrichtung zum Behandeln von Abgasen eines Brennstoffzellenstapels (16) eines Brennstoffzellensystems (10). In einem Befeuchter (12), in welchem das Abgas zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel (26) einbingbaren Mediums nutzbar ist, ist ein Wasserabscheider zum Verringern eines Gehalts an Flüssigwasser in dem Abgas vorgesehen. Hierbei sind der Befeuchter (12) und der Wasserabscheider in eine gemeinsame Baueinheit integriert. Ein Ausströmbereich (28) des Befeuchters (12) weist einen durchströmbaren Querschnitt auf, welcher größer ist als ein durchströmbarer Querschnitt eines Einströmbereichs (26) des Befeuchters (12). In der Baueinheit ist wenigstens ein Sammelbereich (36) für das beim Austreten aus dem Ausströmbereich (28) abgeschiedene Flüssigwasser vorgesehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer solchen Behandlungseinrichtung sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Behandlungseinrichtung zum Behandeln von Abgas eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Die Behandlungseinrichtung umfasst einen Befeuchter, welcher dazu ausgelegt ist, das Abgas zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel einbringbaren Mediums zu nutzen. Des Weiteren ist ein Wasserabscheider vorgesehen, welcher dem Verringern eines Gehalts an Flüssigwasser in dem Abgas dient. Der Befeuchter und der Wasserabscheider sind in eine gemeinsame Baueinheit integriert. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Behandlungseinrichtung und ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Die DE 101 10 419 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei welchem stromaufwärts einer Brennstoffzelle ein Hohlfasermembran-Befeuchter angeordnet ist. Dem Befeuchter wird Abgas der Brennstoffzelle als Befeuchtungsmedium zugeführt. Der Hohlfasermembran-Befeuchter und ein demselben nachgeschalteter Dampf-/Flüssigkeitsseparator können integriert sein, um den Druckverlust im Auslassrohr der Brennstoffzelle zu senken.
Die US 2005/0045043 A1 beschreibt einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem. Hierbei ist in einem Gehäuse, welches Röhrchen mit einem Trocknungsmittel aufnimmt, auch ein Wasserabscheider angeordnet. Ein feuchtes Medium strömt durch Zwischenräume zwischen den das Trocknungsmittel enthaltenden Röhrchen hindurch, welche so Feuchtigkeit aufnehmen. Die gespeicherte Feuchtigkeit wird dann von einem anderen Medium aufgenommen, welches ebenfalls den Befeuchter durchströmt. Das dem Befeuchten dienende Medium wird nach dem Durchströmen der Zwischenräume zwischen den Röhrchen mittels eines Verwirblers in eine Rotationsbewegung versetzt, so dass Flüssigwassertröpfchen aus diesem abgeschieden werden. Das gesammelte Flüssigwasser wird über einen Auslass aus dem Gehäuse des Befeuchters abgeleitet.
Derartige Behandlungseinrichtungen zum Behandeln von Abgas beanspruchen vergleichweise viel Platz und eine beträchtliche Anzahl an Bauteilen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Behandlungseinrichtung der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Behandlungseinrichtung sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zu schaffen, welche bzw. welches einen besonders geringen Bauraumbedarf mit sichbringt.
Diese Aufgabe wird durch eine Behandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Behandlungseinrichtung weist ein Ausströmbereich des Befeuchters einen vom Abgas durchströmbaren Querschnitt auf, welcher größer ist als ein durchströmbarer Querschnitt eines Einströmbereichs des Befeuchters. Des Weiteren ist in der Baueinheit wenigstens ein Sammelbereich für das beim Austreten aus dem Ausströmbereich abgeschiedene Flüssigwasser vorgesehen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Vergrößern des durchströmbaren Querschnitts im der Übertragung von Feuchte dienenden Bereich des Befeuchters eine Verlangsamung der Strömung des Abgases erreicht wird. Dies führt zu einer zuverlässigen Abscheidung des Flüssigwassers, ohne dass eine besonders hohe Lauflänge benötigt wird.
Es wird also der Umstand genutzt, dass bei einer Geometrie des Befeuchters, welche mit einem sich den vergrößernden durchströmbaren Querschnitt einhergeht, in dem Befeuchter eine verlangsamte Strömung vorliegt. Im Ausströmbereich weist das Abgas die damit einhergehende sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit auf, und es tritt auf eine vergleichsweise große Fläche gut verteilt aus. Durch diese Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist im Ausströmbereich eine besonders effiziente Abscheidung von Flüssigwasser erreichbar.
Die geringe Austrittsgeschwindigkeit des Abgases im Ausströmbereich wird also genutzt, um die Abscheidung von Flüssigwasser an dieser Stelle und direkt nachfolgend in der Behandlungseinrichtung durchzuführen.
Jedoch auch innerhalb der Strecke vom Einströmbereich zum Ausströmbereich und/oder im Einströmbereich selber ist eine effiziente Abscheidung von Flüssigwasser mit Hilfe der Schwerkraft und aufgrund von Dichteunterschieden erreichbar. Es findet nämlich bereits eine Abscheidung von Flüssigwasser statt, während das Abgas vom Einströmbereich hin zum Ausströmbereich des Befeuchters strömt.
Da somit die Funktion des Wasserabscheiders in den Befeuchter integriert ist, wird der vorhandene Bauraum besonders effizient genutzt, und es lässt sich im Vergleich zu einer aufeinander folgenden Anordnung von Befeuchter und Wasserabscheider in einer Baueinheit besonders viel Bauraum einsparen. Dies geht auch mit einer Einsparung von für eine Wasserabscheidung ansonsten vorzusehenden Bauteilen einher. Es lassen sich also auch die mit diesen Bauteilen verbundenen Kosten reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Einströmbereich als Kanal ausgebildet, welcher in einem von dem Abgas in radialer Richtung durchströmbaren Bündel von Hohlfasermembranen angeordnet ist. Hierbei ist der Ausströmbereich durch eine Außenseite des Bündels gebildet. Dann strömt das Abgas vom Kanal aus hin zu der Außenseite des – bevorzugt im Wesentlichen runden – Bündels, so dass bereits innerhalb des Bündels vergleichsweise viel Flüssigwasser abgeschieden werden kann. Zudem findet eine Abscheidung von Flüssigwasser bereits im Kanal selber und insbesondere beim Übertreten aus dem Kanal in den Bereich der das Bündel bildenden Hohlfasermembranen statt.
Eine besonders gleichmäßige geringe Strömungsgeschwindigkeit und eine besonders gute Verteilung des aus dem Bündel an dessen Außenseite austretenden Abgases ist erreichbar, wenn der Kanal zentral in dem Bündel angeordnet ist. Auch dies ist dem Abscheiden von Flüssigwasser zuträglich.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zwischen der Außenseite des Bündels und einer Gehäusewand der Baueinheit ein mit dem wenigstens einen Sammelbereich für das Flüssigwasser kommunizierender Zwischenraum vorgesehen ist. Über diesen Zwischenraum kann einerseits das von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreite Abgas besonders ungehindert aus der Behandlungseinrichtung abgeführt werden.
Andererseits kann so das aus dem Abgas abgeschiedene Flüssigwasser einfach und prozesssicher hin zum Sammelbereich für das Flüssigwasser gelangen. Dies verbessert die Funktionstüchtigkeit der Behandlungseinrichtung. Weiterhin ergibt sich eine Abscheidung von Flüssigwasser an der den Zwischenraum begrenzenden Gehäusewand der Baueinheit.
Bevorzugt ist eine Mehrzahl von Stegen vorgesehen, welche an der Außenseite des Bündels einerseits und an der Gehäusewand andererseits anliegen. Derartige Stege stützen das Bündel von außen und sorgen so für eine Stabilisierung, insbesondere die Gewährleistung einer Formstabilität des Bündels. Zudem lässt sich durch die Höhe der Stege die Größe des Zwischenraums gut einstellen.
Um die vorgenannten Funktionen besonders gut zu erfüllen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Stege in Umfangsrichtung des Bündels gleichmäßig voneinander beabstandet in dem Zwischenraum angeordnet sind.
Der Stabilität des Bündels ist es des Weiteren zuträglich, wenn eine Stützstruktur vorgesehen ist, welche die den Kanal umgebenden Hohlfasermembranen des Bündels abstützt. So kann auch die Funktion des Kanals als Einströmbereich mit einem gewünschten durchströmbaren Querschnitt einfach und dauerhaft sichergestellt werden.
Ein besonders ungehinderter Übertritt des Abgases aus dem Kanal in das Bündel, in welchem das Abgas die Hohlfasermembranen außenumfangsseitig umströmt, ist erreichbar, wenn die Stützstruktur nach Art einer Schraubenfeder ausgebildet ist.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Bündel im Wesentlichen rund ausgebildet ist, wobei zumindest ein unterseitiger Teil eines Gehäuses der Baueinheit wenigstens einen Eckbereich aufweist, durch welchen der wenigstens eine Sammelbereich für das Flüssigwasser gebildet ist. Die zumindest im unteren Teil eckige, insbesondere rechteckige Ausbildung der Baueinheit vereinfacht deren Fertigung und ihre Anordnung in dem Brennstoffzellensystem. Zudem lassen sich die bei einem runden Bündel ansonsten ungenutzten Eckbereiche vorliegend besonders gut nutzen, nämlich zum Sammeln des Flüssigwassers. Das Flüssigwasser behindert so nicht das Hindurchströmen des Abgases durch das Bündel der Hohlfasermembranen.
Ein besonders geringer Druckverlust in der Abgasstrecke ist erreichbar, wenn in einem Gehäuse der Baueinheit zwei Bündel angeordnet sind. Dann braucht nämlich in einem jeweiligen der beiden Bündel ein kürzerer Weg vom Einströmbereich bis zum Ausströmbereich zurückgelegt zu werden als beim Vorsehen eines einzigen Bündels mit einer Anzahl an Hohlfasermembranen, welche der beider Bündel entspricht.
Zudem kann bei einer solchen Ausgestaltung der Behandlungseinrichtung der wenigstens eine Sammelbereich für das Flüssigwasser in einer zwischen den beiden Bündeln vorgesehenen Vertiefung eines Bodens des Gehäuses ausgebildet sein. So lässt sich auch der Raum zwischen den beiden Bündeln gut nutzen, nämlich zum Sammeln des abgeschiedenen Flüssigwassers. Dies gilt insbesondere, wenn die – beispielsweise runden – Bündel symmetrisch angeordnet sind und/oder wenn die Vertiefung V-förmig ausgebildet ist.
Bei einer Unterbringung von zwei Bündeln in dem Gehäuse der Baueinheit kann in einem Raum zwischen den beiden Bündeln und einem Deckenbereich des Gehäuses wenigstens ein weiterer Sammelbereich für das von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreite Abgas vorgesehen sein. Es lässt sich also dieser obere Zwischenraum zwischen den beiden bevorzugt runden Bündeln als Abströmbereich für das trockene Abgas nutzen.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn eine Haltestruktur vorgesehen ist, welche die beiden Bündel auf Abstand voneinander hält. So kann nämlich besonders gut der Raum zwischen den beiden Bündeln zum Sammeln des Flüssigwassers und zum Sammeln des trockenen, also von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreiten Abgases genutzt werden.
Eine solche Haltestruktur kann wenigstens ein Versteifungselement aufweisen, welches das jeweilige Bündel zumindest bereichsweise einfasst. Dann sorgt diese Haltestruktur für eine stabile Halterung der Bündel und eine Formstabilität derselben.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, umfasst eine erfindungsgemäße Behandlungseinrichtung. Hierbei ist bevorzugt das Abgas einer Kathode des Brennstoffzellenstapels in dem Befeuchter zum Befeuchten eines in die Kathode des Brennstoffzellenstapels einbringbaren Oxidationsmittels nutzbar. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreite Abgas über eine Leitung einer Turbine eines Abgasturboladers des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Dadurch, dass der Turbine trockenes Abgas zugeführt wird, wird diese nicht beschädigt, und insbesondere wird ein Festfrieren der Turbine wirksam verhindert.
Ein solches Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl weiterer, insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen übliche Komponenten umfassen, welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
Die für die erfindungsgemäße Behandlungseinrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in einer teilweise geschnittenen Ansicht einen Hohlfaserbefeuchter eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, wobei der Hohlfaserbefeuchter zugleich als Wasserabscheider ausgebildet ist.
Von einem Brennstoffzellensystem 10 eines Fahrzeugs ist in der Fig. ein Befeuchter 12 gezeigt, welcher dem Befeuchten eines für die Brennstoffzellenreaktion vorzusehenden Oxidationsmittels dient. Bei diesem Oxidationsmittel kann es sich etwa um Sauerstoff oder um Luft handeln. Die befeuchtete Luft verlässt den Befeuchter 12 und wird einer Kathode 14 eines Brennstoffzellenstapels 16 des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt.
Einer Anode 18 des Brennstoffzellenstapels 16 kann Wasserstoff als Brennstoff für die in dem Brennstoffzellenstapel 16 stattfindende Brennstoffzellenreaktion zugeführt werden. Vorliegend wird das Abgas der Kathode 14, welches das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser enthält, dem Befeuchter 12 als Befeuchtungsmittel zugeführt. Eine entsprechende Abgasleitung 20 ist in der Fig. schematisch gezeigt.
In dem Befeuchter 12 findet zugleich eine Abscheidung von Flüssigwasser aus dem Abgas statt. Es sind also der Befeuchter 12 und ein Wasserabscheider in eine gemeinsame Baueinheit integriert, indem innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 22 sowohl das Befeuchten der Zuluft als auch das Entfernen von Flüssigwasser aus dem Abgas stattfindet.
Vorliegend sind in dem Gehäuse 22 des Befeuchters 12 zwei Faserbündel 24 angeordnet, welche eine Vielzahl von Hohlfasermembranen umfassen. Im Zentrum des jeweiligen Faserbündels 24 ist ein Einströmbereich in Form eines Kanals 26 vorgesehen, über welchen das feuchte Abgas der Kathode 14 in das jeweilige Faserbündel 24 gelangt.
Die den jeweiligen Kanal 26 umgebenden einzelnen Hohlfasern sind parallel zum jeweiligen Kanal 26 ausgerichtet. Durch diese Hohlfasern strömt die zu befeuchtende Zuluft hindurch, welche dann vom Befeuchter 12 weiter zur Kathode 14 des Brennstoffzellenstapels 16 geleitet wird.
Das Abgas der Kathode 14 strömt in dem Befeuchter 12 von dem jeweiligen Kanal 26 aus in radialer Richtung hin zu einer Außenseite 28 des – vorliegend rund ausgebildeten – jeweiligen Faserbündels 24. Durch diese Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 ist ein Ausströmbereich bereitgestellt, in welchem das Abgas eine verlangsamte Strömungsgeschwindigkeit aufweist und auf einer großen Fläche gut verteilt aus dem jeweiligen Faserbündel 24 austritt.
Die Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ist dadurch bedingt, dass der im Kanal 26 zur Verfügung stehende durchströmbare Querschnitt, welcher der Mantelfläche des jeweiligen Kanals 26 entspricht, geringer ist als der im Bereich der Außenseite 28 zur Verfügung stehende durchströmbare Querschnitt. Diese Vergrößerung des durchströmbaren Querschnitts auf dem Weg vom Kanal 26 zur Außenseite 28 führt zum Verringern der Strömungsgeschwindigkeit.
Aufgrund der Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit wird an der Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 Flüssigwasser abgeschieden. Die geringe Austrittsgeschwindigkeit aus dem jeweiligen Faserbündel 24 wird also genutzt, um die Abscheidung von Flüssigwasser direkt nachfolgend durchzuführen.
Die Richtung des in radialer Richtung vom durch den Kanal 26 gebildeten Einströmbereich hin zur Außenseite 28 strömende Abgases ist in der Fig. durch Pfeile 30 veranschaulicht. Auf dem Weg vom Kanal 26 hin zur Außenseite 28 umströmt das feuchte Abgas die Membranen der Hohlfasern, durch welche die zu befeuchtende Zuluft strömt. Hierbei findet das Befeuchten der Zuluft statt. Zudem wird auch beim Durchströmen der Strecke vom Kanal 26 hin zur Außenseite 28 Wasser abgeschieden.
Auch in dem nach Art eines längs durch das Faserbündel 24 verlaufenden Rohrs ausgebildeten Kanal 26 findet bereits eine Abscheidung von Flüssigwasser statt. Eine Vorzugsrichtung, in welche sich das abgeschiedene Flüssigwasser aufgrund der Gravitation und aufgrund eines Dichteunterschieds bezogen auf gasförmige Bestandteile des Abgases bewegt, ist in der Fig. durch einen weiteren Pfeil 39 im jeweiligen Faserbündel 24 veranschaulicht.
Das radiale Austreten des Abgases aus dem Kanal 26 ist dadurch bewirkt, dass die Hohlfasermembranen des jeweiligen Faserbündels 24 zwar für die zu befeuchtende Zuluft in der axialen Richtung des Kanals 26 durchströmbar sind, demgegenüber jedoch der jeweilige Kanal 26 endseitig verschlossen ist. Am axialen Ende des Kanals 26 sind nämlich die einzelnen Hohlfasermembranen des jeweiligen Faserbündels 24 durch eine den Kanal 26 verschließende Endplatte hindurchgeführt, welche bevorzugt durch eine Vergussmasse gebildet ist.
Das an der Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 abgeschiedene Flüssigwasser gelangt aus einem Zwischenraum 32, welcher zwischen einer Gehäusewand 34 des Gehäuses 22 und der Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 ausgebildet ist, hin zu einem Sammelbereich 36 für Flüssigwasser. Der Sammelbereich 36 ist vorliegend als V-förmige Vertiefung in einem Boden 38 des Gehäuses 22 ausgebildet. Diese rinnenförmige Vertiefung befindet sich mittig zwischen den beiden in dem Gehäuse 22 symmetrisch angeordneten Faserbündeln 24. Aus dem Sammelbereich 36 kann das Flüssigwasser über einen (vorliegend nicht gezeigten) Auslass abgelassen werden.
Das Gehäuse 22 ist vorliegend in einem oberen Bereich an die Kontur der runden, nebeneinander angeordneten Faserbündel 24 angepasst, jedoch ist ein unterseitiger Teilbereich des Gehäuses 22 quaderförmig ausgebildet. Vorliegend können jedoch die sich bei der Unterbringung von einem oder zwei runden Faserbündeln 24 in dem Gehäuse 22 mit dem quaderförmigen Teilbereich ergebenden, ansonsten ungenutzten Eckbereiche zum Sammeln des abgeschiedenen Flüssigwassers genutzt werden.
Auch ein Raum 40 in dem Gehäuse 22, welcher von oberen Teilbereichen der Faserbündel 24 und einem Deckenbereich 42 des Gehäuses 22 begrenzt ist, wird vorliegend genutzt, und zwar zum Abführen des trockenen Abgases, also des Abgases, aus welchem das Flüssigwasser zumindest weitgehend abgeschieden wurde. Aus dem durch diesen Raum 40 bereitgestellten oberen Sammelbereich strömt das trockene Abgas dann hin zu einer Turbine 44 eines Abgasturboladers, dessen Verdichterrad in vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise die dem Befeuchter 12 zugeführte Zuluft verdichtet.
In jedem Faserbündel 24 ist bevorzugt eine Stützstruktur vorgesehen, welche dafür sorgt, dass der jeweilige Kanal 26 eine gute Formstabilität aufweist. Diese Stützstruktur kann als Schraubenfeder 46 ausgebildet sein. Vorliegend ist die Schraubenfeder 46 mit den Hohlfasermembranen in Anlage, welche den Kanal 26 unmittelbar umgeben.
Für ein Freihalten des Zwischenraums 32 und somit dessen gute Durchströmbarkeit für das trockene Abgas, sorgen vorliegend sich in die axiale Richtung des jeweiligen Kanals 26 erstreckende Stege 48, welche an der Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 angeordnet sind.
Des Weiteren ist zwischen den beiden Faserbündeln 24 eine Haltestruktur 50 vorgesehen, welche die beiden Faserbündel 24 auf Abstand voneinander halt. Diese Haltestruktur 50 weist zudem Rippen 52 auf, welche das jeweilige Faserbündel 24 in Umfangsrichtung zumindest ein Stück weit einfassen und so einer Versteifung des jeweiligen Faserbündels 24 dienen. Vorliegend sind die Rippen 52 in die axiale Richtung des jeweiligen Kanals 26 gleichmäßig voneinander beabstandet. In entsprechender Weise sind die Stege 48 in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet an der Außenseite 28 des jeweiligen Faserbündels 24 angeordnet.
In alternativen Ausführungsformen kann ein einziges Faserbündel 24 in einem Gehäuse angeordnet sein, dessen Eckbereiche zum Sammeln von abgeschiedenem Flüssigwasser und zum Abführen des trockenen Abgases genutzt werden können.
Zudem kann mit einem nach Art des in der Fig. gezeigten Befeuchters 12 ausgebildeten Hohlfaserbefeuchter mit integriertem Wasserabscheider auch der dem Brennstoffzellenstapel 16 zuzuführende Brennstoff befeuchtet werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Befeuchter
14: Kathode
16: Brennstoffzellenstapel
18: Anode
20: Abgasleitung
22: Gehäuse
24: Faserbündel
26: Kanal
28: Außenseite
30: Pfeil
32: Zwischenraum
34: Gehäusewand
36: Sammelbereich
39: Pfeil
38: Boden
40: Raum
42: Deckenbereich
44: Turbine
46: Schraubenfeder
48: Steg
50: Haltestruktur
52: Rippe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10110419 A1 [0002]
US 2005/0045043 A1 [0003]

Claims

Behandlungseinrichtung zum Behandeln von Abgas eines Brennstoffzellenstapels (16) eines Brennstoffzellensystems (10), mit einem Befeuchter (12), in welchem das Abgas zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel (16) einbringbaren Mediums nutzbar ist, und mit einem Wasserabscheider zum Verringern eines Gehalts an Flüssigwasser in dem Abgas, wobei der Befeuchter (12) und der Wasserabscheider in eine gemeinsame Baueinheit integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausströmbereich (28) des Befeuchters (12) einen durchströmbaren Querschnitt aufweist, welcher größer ist als ein durchströmbarer Querschnitt eines Einströmbereichs (26) des Befeuchters (12), wobei in der Baueinheit wenigstens ein Sammelbereich (36) für das beim Austreten aus dem Ausströmbereich (28) abgeschiedene Flüssigwasser vorgesehen ist.
Behandlungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (26) als Kanal ausgebildet ist, welcher in einem von dem Abgas in radialer Richtung durchströmbaren, insbesondere im Wesentlichen runden, Bündel (24) von Hohlfasermembranen, insbesondere zentral, angeordnet ist, wobei der Ausströmbereich (28) durch eine Außenseite des Bündels (24) gebildet ist.
Behandlungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenseite des Bündels (24) und einer Gehäusewand (34) der Baueinheit ein mit dem wenigstens einen Sammelbereich (36) für das Flüssigwasser kommunizierender Zwischenraum (32) vorgesehen ist.
Behandlungseinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von, insbesondere in Umfangsrichtung des Bündels (24) gleichmäßig voneinander beabstandeten, Stegen (48), welche an der Außenseite des Bündels (24) einerseits und an der Gehäusewand (34) andererseits anliegen und/oder eine, insbesondere als Schraubenfeder (46) ausgebildete, Stützstruktur für die den Kanal umgebenden Hohlfasermembranen des Bündels (24).
Behandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bündel (24) im Wesentlichen rund ausgebildet ist, wobei zumindest ein unterseitiger Teil eines Gehäuses (22) der Baueinheit wenigstens einen Eckbereich aufweist, durch welchen der wenigstens eine Sammelbereich (36) für das Flüssigwasser gebildet ist.
Behandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (22) der Baueinheit zwei, insbesondere symmetrisch angeordnete, Bündel (24) angeordnet sind, wobei der wenigstens eine Sammelbereich (36) für das Flüssigwasser in einer zwischen den beiden Bündeln (24) vorgesehenen, insbesondere V-förmigen, Vertiefung eines Bodens (38) des Gehäuses (22) ausgebildet ist.
Behandlungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Raum (40) zwischen den beiden Bündeln (24) und einem Deckenbereich (42) des Gehäuses (22) wenigstens ein weiterer Sammelbereich für das von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreite Abgas vorgesehen ist.
Behandlungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Haltestruktur (50), welche die beiden Bündel (24) auf Abstand voneinander hält und wenigstens ein das jeweilige Bündel (24) zumindest bereichsweise einfassendes Versteifungselement (52) aufweist.
Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Behandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Abgas einer Kathode (14) des Brennstoffzellenstapels (16) in dem Befeuchter (12) zum Befeuchten eines in die Kathode (14) des Brennstoffzellenstapels (16) einbringbaren Oxidationsmittels nutzbar und das von Flüssigwasser zumindest weitgehend befreite Abgas einer Turbine (44) eines Abgasturboladers des Brennstoffzellensystems (10) zuführbar ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9.