DE102014009325B4

DE102014009325B4 - Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014009325B4
Application number: DE102014009325.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Fasold; Bernd Tippmer; Michael Harenbrock; Heinz Fuchs; Sascha Bauer; Jörg Menssen; Thomas Tschech
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-06-28
Also published as: US20150380749A1; DE102014009325A1; US10122031B2; CN105226309B; CN105226309A

Abstract

Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer Stapeleinheit, die mehrere wasserdampfdurchlässige Membranen (8) enthält, welche übereinanderliegend und beabstandet zueinander angeordnet sind und zwischenliegende Strömungsräume oder Strömungskanäle bilden, wobei die Membranen (8) randseitig zumindest abschnittsweise von jeweils einem Einfassungsteil (9) eingefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassungsteile (9) jeweils zweier beabstandet übereinanderliegender Membranen (8) unmittelbar und strömungsdicht miteinander verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2009 034 095 A1 ist eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt, welche einen Membranstapel mit mehreren übereinander angeordneten, zueinander beabstandeten Membranen umfasst, zwischen denen Strömungskanäle gebildet sind. Die Membranen sind wasserdampfdurchlässig ausgebildet und ermöglichen einen Übertritt von Wassermolekülen aus feuchter Luft, welche zwischen zwei Membranen geführt wird, zu einem trockenen Luftstrom in einem Strömungskanal zwischen benachbarten Membranen, der dadurch mit Feuchtigkeit angereichert wird. Der befeuchtete Luftstrom wird einem Brennstoffzellensystem zugeführt, in welchem in einer chemischen Reaktion Strom erzeugt wird.
In dem Stapel sind die Membranen in ihrem Randbereich mit Rahmenteilen verbunden, wobei zwischen den Rahmenteilen benachbarter Membranen ein Dichtungselement für einen strömungsdichten Abschluss angeordnet ist. Übereinanderliegende Strömungskanäle, zwischen denen jeweils eine Membran liegt, werden über Kreuz von der trockenen bzw. feuchten Luft durchströmt. Die Rahmenteile sowie die zwischenliegende Dichtungselemente dienen außerdem als Abstandshalter, über die die parallel eingespannten Membranen auf Abstand zueinander gehalten werden.
Aus der DE 10 2012 017 142 A1 ist eine Befeuchtungseinrichtung mit einer Stapeleinheit bekannt, die mehrere wasserdurchlässige Membrane enthält, die jeweils von einem Rahmen randseitig eingefasst sind. Der Rahmen ist von einem Folienverbund mit einer unteren und einer oberen Folie gebildet, zwischen denen der Rand der Membran eingeklemmt ist.
Die DE 10 2012 017 139 A1 offenbart eine Befeuchtungseinrichtung mit einer Stapeleinheit mit Membranen und aufeinandergestapelten Trägerrahmen, zwischen denen die Membrane eingespannt sind. Zwischen zwei Trägerrahmen ist ein Zuluftströmungsweg auf einer Seitenfläche der Membran und winkelversetzt ein Abluftströmungsweg auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Membran vorgesehen, wobei eine Strömungsöffnung des Zuluftströmungswegs und Strömungsöffnung des Abluftströmungswegs von den Trägerrahmen begrenzt sind und sich parallel zur Ebene der Membran erstrecken.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfach aufgebaute Befeuchtungseinrichtung, die beispielsweise für eine Brennstoffzelle eingesetzt wird, anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann die Strömungsluft, welche beispielsweise einer Brennstoffzelle für die elektrochemische Reaktion zugeführt wird, so weit mit Feuchtigkeit angereichert werden, bis ein geforderter Mindestfeuchtigkeitsgehalt im Luftstrom erreicht ist. Die Befeuchtungseinrichtung weist einen Stapel mit vorzugsweise parallelen und zueinander beabstandeten Membranen auf, die jeweils für Wasserdampf durchlässig sind, nicht jedoch für Luft, so dass durch die Membranen ausschließlich ein Wasseraustausch von einem Luftstrom mit höherer Feuchtigkeit zum Luftstrom mit geringerer Feuchtigkeit stattfindet, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Stapeleinheit umfasst mindestens zwei wasserdampfdurchlässige Membranen, vorzugsweise jedoch mehr als zwei Membranen, ggf. mehrere Dutzend parallel und zueinander beabstandete Membranen. Zwischen jeweils zwei Membranen ist ein Strömungsweg bzw. -kanal gebildet, durch den ein Luftstrom parallel zur Membranebene durch die Stapeleinheit geführt wird.
Die Membranen sind randseitig zumindest abschnittsweise von einem Rahmen- bzw. Einfassungsteil eingefasst, wobei die Einfassungsteile übereinanderliegender Membranen unmittelbar und strömungsdicht miteinander verbunden sind. Die Einfassungsteile übernehmen somit eine mehrfache Funktion: die Membranen werden in ihrem Randbereich von den Einfassungsteilen stabilisiert und gehalten, außerdem werden übereinanderliegende Membranen in der Stapeleinheit über die Einfassungsteile miteinander verbunden. Des Weiteren dienen die Einfassungsteile zur Abdichtung des Seitenbereichs des Strömungswegs bzw. -kanals zwischen zwei parallel angeordneten Membranen. Ein Dichtungselement zur Abdichtung des Strömungskanals kann an dieser Stelle entfallen. Vielmehr wird die Aufgabe des Dichtungselementes zusätzlich von den unmittelbar aneinanderliegenden Einfassungsteilen übernommen, welche strömungsdicht miteinander verbunden sind. Dies erlaubt einen konstruktiv einfacheren Aufbau bei reduzierter Teileanzahl ohne Einschränkung der Funktionalität.
Das Einfassungsteil kann beispielsweise zwei Folien umfassen, welche die Membran im Seitenbereich einfassen und miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Laminieren. Die beiden Folien schließen zwischen sich den Seitenbereich der Membran ein und bilden gemeinsam eine einlaminierte Flachmembran, wobei benachbarte Flachmembranen strömungsdicht und ohne zwischenliegendes Dichtungselement miteinander verbunden werden.
Zwischen einer Folie und der Membran kann zumindest einseitig ein Stütz- oder Siebgitter eingeschweißt sein. Das Stützgitter deckt vorteilhafterweise mindestens 30% der Membranfläche ab.
Ggf. kann eine Folie zumindest einseitig ein Waffelprofil, beispielsweise mit einer Pyramidenstruktur aufweisen, wobei sich das Waffelprofil über den Überdeckungsbereich der Folien mit der Membran erstreckt, so dass bei nicht verschweißbaren Membranmaterialien zumindest eine mechanische Verankerung oder Verkrallung des Folienmaterials mit der Membran erreicht wird.
Unter Verwendung eines zusätzliche Gitters auf der dem Waffelprofil gegenüberliegenden Seite, welches vorzugsweise die gleichen Abmessungen wie die Membran hat, kann bei dem Schweißprozess das zusätzliche Gitter mit einer der Folien verschweißt werden. Weiterhin wird durch das Gitter bzw. die Stege des Gitters eine zusätzlich mechanische Fixierung in der Membran erreicht.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Einfassungsteil in seinem seitlich außerhalb der Membran liegenden Bereich einen Profilabschnitt auf, der zur Membranebene auf Abstand liegt und zur Verbindung benachbarter Membranen dient.
Der Profilabschnitt ermöglicht es, den Abstand zwischen den benachbarten Membranen zu überbrücken, so dass eine einteilige Ausführung des Einfassungsteils mit Einfassung des Membranseitenbereichs und mit einem Verbindungsabschnitt möglich ist. Der Profilabschnitt ist beispielsweise winkelförmig oder gekröpft ausgebildet und kann einen parallel zur Membranebene versetzten Kontaktbereich aufweisen, wobei die Kontaktbereiche benachbarter Membranen unmittelbar aneinanderliegen und miteinander verbunden sind. Aufgrund der parallel verlaufenden Abschnitte ist ein verhältnismäßig großflächiger Kontaktbereich gegeben, der eine strömungsdichte Verbindung unterstützt.
Das Einfassungsteil im Seitenbereich der Membran ist entweder umlaufend ausgeführt und bildet somit einen umlaufend einschließenden Rahmen. Gemäß einer alternativen Ausführung sind einzelne Einfassungsteile an einer oder mehreren Seitenkanten der Membran vorgesehen, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten, wohingegen die um 90° versetzten Seitenkanten frei von Einfassungsteilen sein können; an diesen Seitenkanten erfolgt die An- bzw. Abströmung. Aber auch für den Fall, dass an sämtlichen Seitenkanten Einfassungsteile angeordnet sind, können diese jeweils als separate Bauteile ausgeführt sein.
Die Durchströmung der Stapeleinheit mit den darin aufgenommenen Membranen erfolgt zweckmäßigerweise von Strömungsraum zu Strömungsraum zwischen jeweils benachbarten, übereinanderliegenden Membranen abwechselnd in einem 90°-Winkel, also von Strömungsraum zu Strömungsraum kreuzweise. Dies ermöglicht es, eine erste Stirnseite der Stapeleinheit mit feuchter Luft anzuströmen, wobei jeder zweite Strömungsraum an dieser Stirnseite und an der diametral gegenüberliegenden Stirnseite offen ausgebildet ist, wohingegen die jeweils anderen Strömungsräume an diesen Stirnseiten strömungsdicht verschlossen sind. An der um 90° versetzten Stirnseite erfolgt die Anströmung der Stapeleinheit mit trockener Luft durch die jeweils anderen Strömungsräume, die abwechselnd versetzt offen bzw. geschlossen ausgebildet sind. Im Bereich offener Strömungsräume sind die Einfassungsteile nicht strömungsdicht miteinander verbunden, sondern lassen eine Einström- bzw. Abströmöffnung frei. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind an den offenen Stirnseiten keine Einfassungsteile angeordnet.
Zum Verbinden können benachbarte Einfassungsteile beispielsweise miteinander verschweißt werden. Als Schweißverfahren kommt beispielsweise Ultraschallschweißen oder Reibschweißen in Betracht.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind zwischen unmittelbar benachbarten Membranen Abstandshalter eingebracht, welche die Membranen auf Abstand zueinander halten und somit für einen ausreichend großen Strömungsraum bzw. -weg oder -kanal zwischen den Membranen sorgen. Es kann zweckmäßig sein, zwischen allen benachbarten Membranen Abstandshalter vorzusehen. Gemäß einer alternativen Ausführung sind dagegen nur zwischen jedem zweiten Zwischenraum zwischen benachbarten Membranen derartige Abstandshalter eingebracht, vorzugsweise in den Zwischenräumen, in denen die durchgeführte Luft einen geringeren Druck aufweist. Dies kann beispielsweise auf der Abluftseite der Brennstoffzelle der Fall sein. Die Abstandshalter haben eine Stützwirkung, damit der Kanal nicht verschlossen wird.
Die Abstandshalter können ein zusammenhängendes Abstandsgitter bilden. Des Weiteren können die Abstandshalter eine strömungsleitende Funktion aufweisen, um die Strömung im Kanal, in welchem die Abstandshalter angeordnet sind, zielgerichtet von der Anström- zur Abströmseite im Kanal leiten. Es ist z. B. möglich, die Anström- und die Abströmseite im Kanal versetzt zueinander anzuordnen und die Strömung zusätzlich mithilfe der Abstandshalter von der Anström- zur Abströmseite zu führen.
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 übereinander angeordnete, wasserdampfdurchlässige Membranen enthält, die eine Stapeleinheit bilden,
2 im Schnitt eine Stapeleinheit mit Membranen, die im Seiten- bzw. Randbereich von Einfassungsteilen eingefasst sind, welche miteinander verbunden sind.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen 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, die austauschbar oder fest in das Gehäuse eingesetzt ist und die dazu dient, die in einem Abgasstrom enthaltene Feuchtigkeit auf einen trockenen Frischluftstrom zu übertragen, der der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kartusche 3 weist eine Stapeleinheit mit einer Mehrzahl übereinander gestapelter, wasserdampfdurchlässiger Membranen auf.
Das Gehäuse 2 der Befeuchtungseinrichtung 1 ist mit einem Frischluftkanal 4 versehen, über den Umgebungsluft als Frischluft 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, 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 wasserdampfdurchlässigen Membranen separiert, die lediglich einen Wasseraustausch von dem mit hoher Feuchtigkeit beladenen Abgasstrom 7 auf den trockenen Frischluftstrom 6 erlauben.
2 zeigt eine Kartusche 3 in einer Schnittdarstellung. Die Kartusche 3 umfasst eine Stapeleinheit mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten, parallel und auf Abstand zueinander platzierten Membranen 8, die jeweils wasserdampfdurchlässig ausgebildet sind, jedoch keine Luft hindurch lassen. Zwischen jeweils zwei Membranen 8 verlaufen die Strömungsräume bzw. -kanäle zum Hindurchleiten des Frischluftstromes sowie des Abgasstroms. In übereinanderliegender Richtung wechseln sich Frischluftkanäle 4 und Abgaskanäle 5 zwischen den Membranen 8 ab.
Jede Membran 8 ist in ihrem Randbereich von einem Einfassungsteil 9 eingefasst, das von zwei Folien 10 und 11 gebildet ist, welche durch Laminieren oder Verschweißen miteinander verbunden sind. Eine Folie 10 liegt auf einer Seite des Randbereichs der Membran 8, die zweite Folie 11 auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Membran 8. Die Randbereiche der Membrane 8 sind durch den Laminierungs- oder Verschweißungsprozess fest mit dem durch die Folien 10 und 11 gebildeten Einfassungsteil 9 verbunden. Ggf. wird statt zwei Folien 10 und 11 nur eine um den Randbereich der Membran 8 gelegte Folie für das Einfassungsteil 9 verwendet.
Seitlich außerhalb der Membran 8 bilden die Einfassungsteile 9 einen Profilabschnitt 12, der winkelförmig bzw. schräg oder ggf. abgekröpft oder gekrümmt ausgebildet ist und einen Kontaktbereich 13 aufweist, welcher parallel versetzt zur Ebene der Membran 8 verläuft. Die Kontaktbereiche 13 benachbarter Einfassungsteile 9 berühren einander und sind strömungsdicht miteinander verbunden. Die Kontaktbereiche 13 liegen unmittelbar aneinander, ein Dichtungselement oder ein sonstiges zwischenliegendes Bauteil ist nicht erforderlich. Die Kontaktbereiche 13 sind jeweils eben ausgebildet und verlaufen mit parallelem Abstand zur Membranebene, so dass zum einen der Abstand zwischen benachbarten Membranen 8 über den Profilabschnitt 12 überbrückt wird und zum andern die aufeinanderliegenden Kontaktbereiche 13 verhältnismäßig großflächig aneinanderliegen, was eine strömungsdichte Verbindung begünstigt. Die Verbindung erfolgt beispielsweise durch Verschweißen.
Da die Frischluftkanäle 4 und die Abgaskanäle 5 in einem 90°-Winkel versetzt zueinander verlaufen, sind auch entsprechend die Randbereiche der Membrane 8 in einem 90°-Winkel versetzt mit Einfassungsteilen 9 versehen, welche die betreffenden Stirnseiten an den Kanälen abdichten. Auch an den jeweils um 90° versetzt angeordneten Stirnseiten eines Kanals befinden sich Einfassungsteile; die Folien 10 und 11 sind auch an den Stirnseiten miteinander verbunden, z. B. durch Verschweißen oder Verkleben. Hierbei bilden die verbundenen Folien 10 und 11 zusammen mit einer Dichtleiste, z. B. einem Kunststoffbauteil oder einem Klebeband den zweiten, axial versetzten Kanal.
In die Zwischenräume zwischen den Membranen 8, welche die Frischluftkanäle 4 bzw. die Abgaskanäle 5 bilden, sind Abstandshalter 14 eingebracht, die sich unmittelbar zwischen den Membranen 8 erstrecken und diese auf einem definierten Abstand zueinander halten.

Claims

Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzelle, mit mindestens einer Stapeleinheit, die mehrere wasserdampfdurchlässige Membranen (8) enthält, welche übereinanderliegend und beabstandet zueinander angeordnet sind und zwischenliegende Strömungsräume oder Strömungskanäle bilden, wobei die Membranen (8) randseitig zumindest abschnittsweise von jeweils einem Einfassungsteil (9) eingefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassungsteile (9) jeweils zweier beabstandet übereinanderliegender Membranen (8) unmittelbar und strömungsdicht miteinander verbunden sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfassungsteil (9) zwei Folien (10, 11) oder zwei Folienabschnitte umfasst, welche die Membran (8) einfassen.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfassungsteil (9) eine Folie (10, 11) oder einen Folienabschnitt umfasst, die oder der um die Membran (8) gelegt sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Folie (10, 11) und der Membran (8) zumindest einseitig ein Stützgitter eingeschweißt ist.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützgitter mindestens 30% der Membranfläche abdeckt.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfassungsteil (9) im seitlich außerhalb der Membran (8) liegenden Bereich einen Profilabschnitt (12) aufweist, der mit Abstand zur Membranebene liegt, wobei die Profilabschnitte (12) der Einfassungsteile (9) benachbarter Membranen (8) miteinander verbunden sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilabschnitt (12) winkelförmig ausgebildet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilabschnitt (12) einen parallel zur Membranebene versetzten Kontaktbereich (13) aufweist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfassungsteil (9) die Membran (8) umlaufend einfasst.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassungsteile (9) benachbarter, vorzugsweise rechteckförmiger Membranen (8) an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten miteinander verbunden sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassungsteile (9) benachbarter Membranen (8) durch Verschweißen miteinander verbunden sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Membranen (8) Abstandshalter (14) eingebracht sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14) nur in jeden zweiten Zwischenraum zwischen benachbarten Membranen (8) eingebracht sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14) ein Abstandsgitter bilden.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (14) strömungsleitend ausgebildet sind und die Strömung im Kanal, in welchem die Abstandshalter (14) angeordnet sind, von der Anström- zur Abströmseite im Kanal leiten.
Verwendung einer Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einer Brennstoffzelle.