-
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
-
Ein Brennstoffzellensystem für einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs weist einen Stapel Brennstoffzellen auf und hat eine Leistung ca. 100 kW. Somit sind auch Komponenten des Brennstoffzellensystems nur auf diesen einen Stapel ausgelegt. Allerdings können beispielsweise Busse zur Beförderung von Fahrgästen mehrere Stapel mit Brennstoffzellen aufweisen. Hierbei sind Teilsysteme, wobei jeweils ein Teilsystem einem Stapel zugeordnet ist, identisch ausgebildet bzw. aufgebaut.
-
Ein für eine stationäre Anwendung vorgesehenes Brennstoffzellensystem kann ebenfalls mehrere Stapel an Brennstoffzellen aufweisen, allerdings ist eine hierfür vorgesehene Befeuchtung für automotive Zwecke nicht geeignet.
-
Ein aus der Druckschrift
DE 11 2004 001 832 B4 bekanntes Brennstoffzellensystem, umfasst zumindest zwei Brennstoffzellenstapel, die dazu konfiguriert sind, um zugeführte Reaktionsgase, die ein Oxidationsgas und ein Brenngas aufweisen aufzunehmen, um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität zu erzeugen, einen Befeuchter, der dazu konfiguriert ist, um Reaktionsgase für den zumindest einen Brennstoffzellenstapel zu befeuchten, sowie ein Reaktionsgaszufuhrrohr, das dazu konfiguriert ist, um das Reaktionsgas von einer Reaktionsgasauslassöffnung des Befeuchters zu Reaktionsgaszufuhröffnungen von zwei der Brennstoffzellenstapel zu leiten. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem ein Reaktionsgasauslassrohr, das dazu konfiguriert ist, das Reaktionsgas aus Reaktionsgasauslassöffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel abzuleiten. Das Reaktionsgaszufuhrrohr ist an einem Verzweigungspunkt in zwei Abschnitte verzweigt, die jeweils zu den zwei Brennstoffzellenstapeln hin ausgerichtet sind, wobei Längen von Abschnitten von dem Verzweigungspunkt zu den Reaktionsgaszufuhröffnungen der zwei Brennstoffzellenstapel gleich sind.
-
Ein strömungsumschaltendes Brennstoffzellensystem mit zwei Brennstoffzellenstapeln ist aus der Druckschrift
DE 10 2008 033 472 B4 bekannt und umfasst eine Wasserdampfübertragungseinrichtung, die mit einem Fluidablass verbunden ist. Dabei ist die Wasserdampfübertragungseinrichtung in einem Kathodenstrompfad angeordnet und umfasst zwei Strömungspfade. Ein erster Strömungspfad ist mit jeweiligen Kathodenauslässen der Brennstoffzellenstapel und dem Fluidablass verbunden. Ein zweiter Strömungspfad ist mit jeweiligen Kathodeneinlässen der Brennstoffzellenstapel und einer Fluidquelle zur Bereitstellung eines Fluids verbunden.
-
Eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Dichtung aus Gold ist aus der Druckschrift
US 7 727 661 B1 bekannt und umfasst mehrere kreisförmig angeordnete Brennstoffzellenstapel mit einem gemeinsamen Wärmetauscher. Hier sind eine Verteilung von Zuluft auf die verschiedenen Brennstoffzellenstapel sowie zusammengefasste Anschlüsse für die Zuluft, für Abluft und Brennstoffgas vorgesehen.
-
Ein in der Druckschrift
DE 101 02 358 B4 vorgestellter Befeuchter für eine Brennstoffzelle umfasst ein Befeuchtungsgehäuse zur Aufnahme mehrerer Bündel wasserdurchlässiger Hohlfasermembranen, die in Längsrichtung des Befeuchtungsgehäuses angeordnet sind, um unterschiedliche Wassergehalte von zwei verschiedenen Gasen, die inner- und außerhalb der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen zu leiten sind, auszutauschen und das Gas, das den geringeren Wassergehalt aufweist, zu befeuchten.
-
Vor diesem Hintergrund werden eine Befeuchtungseinrichtung, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Befeuchtungseinrichtung, des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
-
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung ist für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, das eine Anzahl mehrerer Brennstoffzellenstapel aufweist, vorgesehen. Die Befeuchtungseinrichtung umfasst ein Befeuchtungsgehäuse und einen Hauptkanal, der an einer Übergangsstelle in eine der Anzahl der Brennstoffzellenstapel entsprechende Anzahl Nebenkanäle aufgeteilt ist, wobei an der Übergangsstelle mindestens eine Klappe angeordnet ist. Jeweils ein Nebenkanal geht jeweils in ein in dem Befeuchtungsgehäuse angeordnetes Befeuchtungsmodul über, wobei jeweils ein Befeuchtungsmodul jeweils in einen Austrittskanal übergeht, der in jeweils ein Brennstoffzellengehäuse mündet, in dem jeweils ein Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Bei einem Betrieb der Befeuchtungseinrichtung ist ein Strom trockener Luft über den Hauptkanal zuzuführen, durch Einstellen einer Position der mindestens einen Klappe zu regulieren und in eine der Anzahl der Nebenkanäle entsprechende Anzahl Teilströme aufzuteilen. Dabei ist jeweils ein Teilstrom einem Nebenkanal zuzuführen, wobei der jeweilige Teilstrom über ein jeweiliges Befeuchtungsmodul zu befeuchten und einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist.
-
Außerdem ist jeweils ein Brennstoffzellengehäuse jeweils über einen Gaszuführkanal mit jeweils einer Teilkammer innerhalb des Befeuchtungsgehäuses verbunden, wobei Luft aus dem jeweiligen Brennstoffzellengehäuse über den jeweiligen Gaszuführkanal dem in der jeweiligen Teilkammer angeordneten Befeuchtungsmodul zuzuführen ist.
-
In Ausgestaltung ist entlang mindestens eines Nebenkanals und/oder Austrittskanals optional mindestens eine verstellbare Blende angeordnet ist, über die eine Querschnittsfläche des jeweiligen Nebenkanals und/oder Austrittskanals zu regulieren ist. Außerdem kann auch entlang mindestens eines Gasaustrittskanals optional ebenfalls mindestens eine verstellbare Blende angeordnet sein. Durch Einstellen mindestens einer derartigen optionalen Blende eines genannten Kanals können durch Variation der jeweiligen Querschnittsfläche in dem Kanal eine Strömungseigenschaft und/oder eine Menge der zu fördernden strömenden Luft beeinflusst werden
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Anzahl von k Brennstoffzellenstapeln, wobei k mindestens zwei ist. Die gemeinsame Übergangsstelle der Befeuchtungseinrichtung ist demnach in k Nebenkanäle aufgeteilt. An der Übergangsstelle für die insgesamt k Nebenkanäle ist die mindestens eine Klappe angeordnet.
-
Weiterhin wird zur Erläuterung einer Ausführungsform der Befeuchtungseinrichtung ein Parameter i eingeführt, der von 1 bis k läuft. In diesem Fall geht ein i-ter Nebenkanal der insgesamt k Nebenkanäle in ein in dem Befeuchtungsgehäuse angeordnetes i-tes Befeuchtungsmodul der insgesamt k Befeuchtungsmodule über. Jedes i-te Befeuchtungsmodul geht in einen i-ten Austrittskanal über, der in ein i-tes Brennstoffzellengehäuse mündet, in dem jeweils ein i-ter Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Somit ist ein Strom trockener Luft über den Hauptkanal zuzuführen, durch Einstellen einer Position der mindestens einen Klappe zu regulieren und in k Teilströme aufzuteilen. Dabei ist ein i-ter Teilstrom der insgesamt k Teilströme einem i-ten Nebenkanal zuzuführen, wobei der i-te Teilstrom über ein i-tes Befeuchtungsmodul zu befeuchten und jeweils einem i-ten Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist.
-
Entsprechend ist jeweils ein i-tes Brennstoffzellengehäuse über einen i-ten Gaszuführkanal mit einer i-ten Teilkammer innerhalb des Befeuchtungsgehäuses verbunden, wobei befeuchtete Luft aus dem i-ten Brennstoffzellengehäuse über den i-ten Gaszuführkanal dem in der i-ten Teilkammer angeordneten i-ten Befeuchtungsmodul zuzuführen ist. Dabei ist der durch das i-te Befeuchtungsmodul strömende i-te Teilstrom noch trockener Luft durch bereits befeuchtete Luft von dem i-ten Brennstoffzellenstapel, wobei die bereits befeuchtete Luft das i-te Befeuchtungsmodul umströmt und/oder durchströmt, zu befeuchten. Alternativ oder ergänzend ist dem i-ten Brennstoffzellenstapel trockene Luft zuzuführen.
-
Das Befeuchtungsgehäuse weist mindestens einen Auslasstrichter auf, über den Luft aus dem Befeuchtungsgehäuse abzuführen ist. Außerdem kann in dem Befeuchtungsgehäuse optional mindestens eine Trennwand angeordnet sein, mit der die Teilkammern voneinander getrennt sind. Somit ist möglich, dass jede Teilkammer einen eigenen Auslasstrichter aufweist.
-
Demnach umfasst die Befeuchtungseinrichtung neben dem Hauptkanal und der mindestens einen Klappe insgesamt k Teilmodule. Dabei weist ein i-tes Teilmodul dieser k Teilmodule einen i-ten Nebenkanal, ein i-tes Befeuchtungsmodul und einen i-ten Austrittskanal auf, durch die ein i-ter Teilstrom Luft für einen i-ten Brennstoffzellenstapel zu leiten ist. Als weitere optionale Komponenten des i-ten Teilmoduls sind u. a. der i-te Gaszuführkanal, die i-te Teilkammer und der i-te Austrittskanal vorgesehen.
-
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug umfasst eine Anzahl mehrerer Brennstoffzellenstapel, wobei jeweils ein Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellengehäuse angeordnet ist. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem eine Befeuchtungseinrichtung.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu verwenden, das eine Anzahl mehrerer Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei jeweils ein Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellengehäuse angeordnet ist, und eine Befeuchtungseinrichtung aufweist. Die Befeuchtungseinrichtung weist ein Befeuchtungsgehäuse und einen Hauptkanal auf, der an einer Übergangsstelle in eine der Anzahl der Brennstoffzellenstapel entsprechende Anzahl Nebenkanäle aufgeteilt ist, wobei an der Übergangsstelle mindestens eine Klappe angeordnet ist, wobei jeweils ein Nebenkanal jeweils in ein in dem Befeuchtungsgehäuse angeordnetes Befeuchtungsmodul übergeht, wobei jeweils ein Befeuchtungsmodul jeweils in einen Austrittskanal übergeht, der in jeweils ein Brennstoffzellengehäuse mündet, in dem jeweils ein Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Bei dem Verfahren wird ein Strom trockener Luft über den Hauptkanal zugeführt, durch Einstellen einer Position der mindestens einen Klappe reguliert und in eine der Anzahl der Nebenkanäle entsprechende Anzahl Teilströme aufgeteilt, wobei jeweils ein Teilstrom einem Nebenkanal zugeführt wird. Weiterhin wird der jeweilige Teilstrom über ein jeweiliges Befeuchtungsmodul befeuchtet und einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel zugeführt.
-
Jeweils ein Brennstoffzellengehäuse ist jeweils über einen Gaszuführkanal mit jeweils einer Teilkammer innerhalb des Befeuchtungsgehäuses verbunden. Bei dem Verfahren wird Luft aus dem jeweiligen Brennstoffzellengehäuse über den jeweiligen Gaszuführkanal dem in der jeweiligen Teilkammer angeordneten Befeuchtungsmodul zugeführt.
-
Eine Querschnittsfläche mindestens eines Nebenkanals und/oder Austrittskanals wird mit mindestens einer entlang des mindestens einen Nebenkanals und/oder Austrittskanals angeordneten, verstellbaren optionalen Blende reguliert.
-
In weiterer Ausgestaltung wird über mindestens einen Auslasstrichter Luft aus dem Befeuchtungsgehäuse abgeführt, wobei dem in der jeweiligen Teilkammer angeordneten Befeuchtungsmodul befeuchtete Luft zugeführt wird. Dabei wird befeuchtete Luft um das in der jeweiligen Teilkammer angeordnete Befeuchtungsmodul herum geführt und/oder durch das in der jeweiligen Teilkammer angeordnete Befeuchtungsmodul geführt. Außerdem ist es möglich, dass um das in der jeweiligen Teilkammer angeordnete Befeuchtungsmodul statt feuchter Luft trockene Luft herum geführt wird.
-
Bei dem vorgestellten Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird eine Position der mindestens einen Klappe eingestellt. Der Strom trockener Luft aus dem Hauptkanal wird in die Teilströme aufgeteilt, wobei jeweils ein Teilstrom einem jeweiligen Nebenkanal zugeführt, durch ein jeweiliges Befeuchtungsmodul befeuchtet und dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel zugeführt wird.
-
Außerdem wird der innerhalb des jeweiligen Befeuchtungsmoduls in Richtung des jeweiligen Brennstoffzellenstapels strömende Teilstrom von bereits befeuchteter Luft, die dem jeweiligen Befeuchtungsmodul ausgehend von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird und das jeweilige Befeuchtungsmodul umströmt und/oder durchströmt, befeuchtet.
-
Zudem wird über mindestens einen Auslasstrichter Luft aus dem Befeuchtungsgehäuse abgeführt. Falls jeder Teilkammer, wobei sämtliche Teilkammern voneinander getrennt sind, ein Auslasstrichter zugeordnet ist, wird Luft aus jeweils einer Teilkammer über jeweils einen Auslasstrichter abgeführt.
-
Bei Durchführung des Verfahrens wird der über den Hauptkanal bereitgestellte Strom trockener Luft in die Teilströme aufgeteilt und ein jeweiliger Teilstrom in einem jeweiligen Befeuchtungsmodul befeuchtet. Die so befeuchtete Luft wird jeweils einem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Luft von einem jeweiligen Brennstoffzellenstapel wird wieder dem jeweiligen Befeuchtungsmodul zugeführt und zum Befeuchten der aus dem Hauptkanal durch das jeweilige Befeuchtungsmodul strömenden trockenen Luft bereitgestellt. Eine Menge und/oder Strömungsgeschwindigkeit von Luft, die durch jeweils einen Nebenkanal strömt, wird durch die mindestens eine Klappe und/oder die mindestens eine entlang des mindestens einen Nebenkanals und/oder Austrittskanals angeordnete optionale Blende reguliert.
-
Die beschriebene Befeuchtungseinrichtung ist in Ausgestaltung für das vorgestellte Brennstoffzellensystem, das zwei oder mehrere bzw. k Stapel Brennstoffzellen umfasst, geeignet. Dabei umfasst die Befeuchtungseinrichtung mindestens zwei im Gegenstrom betriebene, rohrförmige Befeuchtungsmodule. In alternativen Ausführungsformen weist die Befeuchtungseinrichtung mindestens zwei im Kreuzstrom oder Gleichstrom betriebene rohrförmige Befeuchtungsmodule auf. Dabei wird der durch das i-te Befeuchtungsmodul strömende, trockene i-te Teilstrom Luft durch einen i-ten Teilstrom bereits befeuchteter Luft von dem i-ten Brennstoffzellenstapel, die zu einer der Richtung des i-ten Teilstroms entgegengesetzten Richtung um das i-te Befeuchtungsmodul herum und/oder durch das i-te Befeuchtungsmodul strömt, befeuchtet. Außerdem ist möglich, die Befeuchtungseinrichtung plattenbasiert auszubilden.
-
Durch Einsatz der Befeuchtungseinrichtung ist u. a. ein sicherer Betrieb eines sog. PEM-Brennstoffzellensystems möglich. Das PEM-Brennstoffzellensystem weist mindestens eine bspw. als Protonen-Austausch-Membran bzw. Proton Exchange Membrane (PEM) ausgebildete Membran als Teil einer Brennstoffzelle auf, durch die lediglich Protonen transportiert werden können, wohingegen eine derartige Protonen-Austausch-Membran für Gase, im Fall der Anwendung für das Brennstoffzellensystem üblicherweise Sauerstoff und Wasserstoff, undurchlässig ist. Zum Betreiben der mindestens einen, bspw. als Protonen-Austausch-Membran ausgebildeten Membran ist ein hierfür korrekter Grad bzw. Wert für eine Feuchtigkeit im Brennstoffzellensystem einzuhalten, wobei ein genau einzustellender Grad für die Feuchtigkeit üblicherweise von einem Design und somit einer Form der Brennstoffzellen und/oder einem Material, aus der die Membranen in den Brennstoffzellen bestehen, abhängig ist.
-
Bei der hier vorgesehenen automotiven Anwendung des Brennstoffzellensystems wird üblicherweise eine Übertragung der Feuchtigkeit aus einem feuchten kathodischen Abgas mit dem trockenen, kathodischen Frischgas mit Hilfe einer bspw. rohrförmigen Membran als Befeuchtungsmodul, die für Wasser und/oder Wasserdampf semi-permeabel und somit halbdurchlässig ist, durchgeführt. Das befeuchtete kathodische Frischgas weist üblicherweise einen Taupunkt auf, der deutlich über einer Umgebungstemperatur ist. In diesem Fall ist für das Brennstoffzellensystem ein kurzer Abstand zwischen einem Austritt der Befeuchtungseinrichtung und einem Eintritt zu jeweiligen Brennstoffzellengehäusen, in denen die jeweiligen Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, vorzusehen und das Brennstoffzellensystem kompakt auszugestalten sowie kostengünstig bereitzustellen.
-
Hierbei ist vorgesehen, dass ein Strom aus trockenem kathodischem Frischgas als trockene frische Luft über den Hauptkanal zugeführt und an der Übergangsstelle über die darin angeordnete Klappen in die insgesamt k Teilströme aufgeteilt, über den i-ten Nebenkanal dem i-ten Befeuchtungskanal zugeführt, darin befeuchtet und über den i-ten Austrittskanal dem i-ten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Das nunmehr befeuchtete kathodische Frischgas wird bei einer Reaktion, die durch den i-ten Brennstoffzellenstapel durchgeführt wird, in feuchtes kathodisches Abgas als gebrauchte Luft umgewandelt und über den i-ten Gaszuführkanal dem i-ten Befeuchtungsmodul wieder zugeführt, wobei das feuchte kathodische Abgas zum Befeuchten von neuem kathodischen Frischgas, das über den i-ten Nebenkanal zu dem i-ten Befeuchtungsmodul gefördert wird, verwendet wird. Demnach wird ursprünglich zugeführte trockene Luft bzw. trockenes kathodisches Frischgas in dem i-ten Befeuchtungsmodul durch gebrauchte, feuchte Luft bzw. feuchtes kathodisches Abgas, das dem i-ten Befeuchtungsmodul von dem i-ten Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, befeuchtet.
-
In Ausgestaltung ist für das Brennstoffzellensystem mit einem Mehrstapelkonzept jedem Brennstoffzellenstapel ein Befeuchtungsmodul zugeordnet. Außerdem wird aus jedem Befeuchtungsmodul für jeweils einen Brennstoffzellenstapel ein einheitlicher, nicht aufgeteilter Strom an befeuchteter Luft bereitgestellt. Demnach wird eine Aufteilung eines befeuchteten Teilstroms Luft aus dem Befeuchtungsmodul in vereinzelte Zuführeinrichtungen aus einem Befeuchtungsmodul vermieden. In Betriebspunkten, bei denen sich ergibt, dass Leitungen zum Transport feuchter Luft kalt sind, z. B. nach einem Start des Brennstoffzellensystems oder nach einer längeren Schwachlastphase, auf die eine Vollastphase folgt, können somit Auswirkungen einer Kondensation von Befeuchtungswasser, die einen Betrieb des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen können, reduziert werden.
-
Die Befeuchtungseinrichtung ist für ein Kraftfahrzeug, d. h. für ein Personen- und/oder Nutzfahrzeug und somit auch für einen Bus bzw. Omnibus zur Personenbeförderung, das das Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln umfasst, verwendbar, wobei mit der Befeuchtungseinrichtung und/oder dem Brennstoffzellensystem eine Integration von zu verwendenden Bauteilen möglich ist.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
-
Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der Befeuchtungseinrichtung 10 ist als Komponente der Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 12 ausgebildet, das hier mehrere, nämlich zwei Brennstoffzellenstapel 14a, 14b aufweist, wobei jeder Brennstoffzellenstapel 14a, 14b in einem für ihn vorgesehenen Brennstoffzellengehäuse 18a, 18b angeordnet ist.
-
Die Befeuchtungseinrichtung 10 umfasst hier ein Befeuchtungsgehäuse 11 und einen Hauptkanal 1 bzw. Hauptstrang, der in einen ersten Nebenkanal 2a und in einen zweiten Nebenkanal 2b verzweigt ist, wobei diese Nebenkanäle 2a, 2b auch als Nebenstränge bezeichnet werden können. In einer Übergangsstelle 30 als Verzweigung, über die der Hauptkanal 1 in die Nebenkanäle 2a, 2b aufgeteilt ist, ist eine einseitig gelagerte Klappe 3 angeordnet. Dabei ist diese Klappe 3 hier an der Übergangsstelle 30 einer gemeinsamen Innenwandung der beiden Nebenkanäle 2a, 2b zwischen beiden Nebenkanälen 2a, 2b angeordnet, wobei die Übergangsstelle 30 an einer Grenze zwischen den beide Nebenkanälen 2a, 2b angeordnet ist.
-
Jeder Nebenkanal 2a, 2b geht hier in ein zylinderförmiges Befeuchtungsmodul 4a, 4b über, wobei jedes Befeuchtungsmodul 4a, 4b hier als Feuchtigkeit übertragende, rohrförmige Membran ausgebildet ist. An einem Übergang zwischen dem jeweiligen Nebenkanal 2a, 2b und dem jeweiligen Befeuchtungsmodul 4a, 4b ist eine Schnittstelle 24a, 24b angeordnet. Die hier vorgestellte Befeuchtungsmodule 4a, 4b sind als Membranmodule ausgebildet, wobei jeweils ein Befeuchtungsmodul 4a, 4b eine Vielzahl, bspw. einige hundert, Röhrchen umfasst, die an der Schnittstelle 24a, 24b bspw. durch Epoxyharz miteinander verbunden sind.
-
Außerdem ist entlang des jeweiligen Nebenkanals 2a, 2b eine nicht weiter dargestellte Blende angeordnet, über die eine Querschnittsfläche des jeweiligen Nebenkanals 2a, 2b, für jeden Nebenkanal 2a, 2b individuell eingestellt werden kann. Weiterhin geht jedes Befeuchtungsmodul 4a, 4b in einen Austrittskanal 5a, 5b über, wobei die Austrittskanäle 5a, 5b hier als Austrittsbögen ausgebildet sind. Jeder Austrittskanal 5a, 5b mündet in jeweils ein Brennstoffzellengehäuse 18a, 18b, in dem jeweils ein Brennstoffzellenstapel 14a, 14b angeordnet ist.
-
Dabei ist vorgesehen, dass die Befeuchtungsmodule 4a, 4b vollständig innerhalb des Befeuchtungsgehäuses 11 der Befeuchtungseinrichtung 10 angeordnet sind, wohingegen die Nebenkanäle 2a, 2a und die Austrittskanäle 5a, 5b hier jeweils nur teilweise in dem Befeuchtungsgehäuse 11 angeordnet sind. In alternativer Ausgestaltung ist es möglich, jeden Nebenkanal 2a, 2b und/oder Austrittskanal 5a, 5b, je nach Package- und Funktionsbedarf in dem Befeuchtungsgehäuse 11 vollständig baulich zu integrieren.
-
Das Befeuchtungsgehäuse 11 ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform der Befeuchtungseinrichtung 10 durch eine Trennwand 8, die hier entlang einer Symmetrieebene des Befeuchtungsgehäuses 11 der Befeuchtungseinrichtung 10 angeordnet ist, in zwei Hälften bzw. Teilkammern 22a, 22b unterteilt, die hier bezüglich der Symmetrieebene spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Dabei ist jeweils ein Befeuchtungsmodul 4a, 4b in jeweils einer Teilkammer 22a, 22b angeordnet. Außerdem ist jedem Brennstoffzellengehäuse 18a, 18b und jeder Teilkammer 22a, 22b jeweils ein Gaszuführkanal 6a, 6b zugeordnet, der von dem jeweiligen Brennstoffzellengehäuse 18a, 18b in die jeweilige Teilkammer 22a, 22b übergeht.
-
Zwischen der Trennwand 8 und jeweils einem Befeuchtungsmodul 4a, 4b ist in der jeweiligen Teilkammer 22a, 22b ein Einlassmodul 7a, 7b bzw. Einlassheader für das durch jeweils einen Gaszuführkanal 6a, 6b in die jeweilige Teilkammer 22a, 22b zugeführte bzw. strömende Gas angeordnet. Außerdem ist hier mindestens ein Auslasskanal 9, der hier als Auslasstrichter ausgebildet und an einer Wandung einer zweiten Teilkammer 22b angeordnet ist, vorgesehen.
-
In möglicher Ausgestaltung kann eine erste Teilkammer 22a ebenfalls an einer Wandung einen Auslasskanal aufweisen, wobei beide Auslasskanäle 9 in diesem Fall spiegelsymmetrisch zu der Symmetrieebene anzuordnen sind. Ferner ist denkbar, einen für beide Teilkammern 22a, 22b gemeinsamen Auslasskanal 9 vorzusehen, der zu der Symmetrieebene symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch angeordnet sowie ausgebildet sein kann. In diesem Fall ist eine Öffnung des Auslasskanals 9, über die dieser in das Befeuchtungsgehäuse 11 mündet, durch die Trennwand 8 geteilt. In weiterer alternativer Ausgestaltung ist möglich, dass die Trennwand 8 das Befeuchtungsgehäuse 11 nur teilweise bzw. abschnittsweise trennt und mit Einlassmodulen verbunden ist, die eine Fortsetzung der Trennwand 8 bilden.
-
Insgesamt sind bei der hier vorgestellten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 12 und somit der Befeuchtungseinrichtung 10 dem ersten Brennstoffzellenstapel 14a in dem ersten Brennstoffzellengehäuse 18a ein erster Nebenkanal 2b, ein in einer ersten Teilkammer 22b angeordnetes erstes Befeuchtungsmodul 4b sowie ein erster Austrittskanal 5b zugeordnet. Außerdem sind dem ersten Brennstoffzellenstapel 14a ein erstes Einlassmodul 7a sowie ein erster Gaszuführkanal 6a zugeordnet. Entsprechend sind dem zweiten Brennstoffzellenstapel 14b in dem zweiten Brennstoffzellengehäuse 18b ein zweiter Nebenkanal 2b, ein in einer zweiten Teilkammer 22a angeordnetes zweites Befeuchtungsmodul 4b sowie ein zweiter Austrittskanal 5b zugeordnet. Außerdem sind dem zweiten Brennstoffzellenstapel 14b ein zweites Einlassmodul 7b sowie ein zweiter Gaszuführkanal 6b zugeordnet.
-
In der hier vorgestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest die voranstehend genannten Komponenten, die dem ersten Brennstoffzellenstapel 14a zugeordnet sind, bezüglich der Symmetrieebene durch die Trennwand 8 zu entsprechenden bzw. gleichartigen Komponenten, die dem zweiten Brennstoffzellenstapel 14b zu geordnet sind, symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch ausgebildet sowie angeordnet sind. Im Detail ist der erste Nebenkanal 2a zu dem zweiten Nebenkanal 2b symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch ausgebildet sowie angeordnet, die erste Teilkammer 22a ist symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch zu der zweiten Teilkammer 22b ausgebildet sowie angeordnet, das erste Befeuchtungsmodul 4a ist symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch zu dem zweiten Befeuchtungsmodul 4b ausgebildet sowie angeordnet, der erste Gaszuführkanal 6a ist symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch zu dem zweiten Gaszuführkanal 6b ausgebildet sowie angeordnet und das erste Einlassmodul 7a ist symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch zu dem zweiten Einlassmodul 7b ausgebildet sowie angeordnet. Außerdem können die beiden Teilkammern 22a, 22b, d. h. Innenräume, die von jeweils einer Teilkammer 22a, 22b umschlossen sind, ebenfalls zu der Symmetrieebene symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch angeordnet und ausgebildet sein. Sofern in weiterer Ausgestaltung jeweils eine Wandung einer Teilkammer 22a, 22b einen Auslasskanal 9 aufweist, können diese ebenfalls symmetrisch bzw. spiegelsymmetrisch angeordnet und ausgebildet sein.
-
Beiden Brennstoffzellenstapel 14a, 14b sind die Trennwand 8 zwischen beiden Teilkammern 22a, 22b, die an der Übergangsstelle 30 angeordnete Klappe 3 sowie der Hauptkanal 1 als gemeinsame Komponenten zugeordnet. Hierbei verläuft die Symmetrieebene durch eine mittige Achse des Hauptkanals 1, die auch als Rotationsachse ausgebildet sein kann, sofern der Hauptkanal 1 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Symmetrieebene verläuft zudem durch die Übergangsstelle 30, an der die Klappe 3 verschwenkbar angeordnet ist. Dabei verläuft die Symmetrieebene ebenfalls durch die Klappe 3, sofern sich die Klappe 3 in einer sog. Neutralposition genau zwischen den Komponenten, die den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln 14a, 14b zugeordnet sind, befindet. Bei einem Betrieb der Befeuchtungseinrichtung 10 ist die Klappe 3 relativ zu einer Befestigungsstelle, an der die Klappe 3 an der Übergangsstelle 30 angeordnet ist, entweder in Richtung der Komponenten, die dem ersten Brennstoffzellenstapel 14a zugeordnet sind, oder in Richtung der Komponenten, die dem zweiten Brennstoffzellenstapel 14b zugeordnet sind, verschwenkbar. Hierzu kann an der Befestigungsstelle ein bspw. als Scharnier ausgebildetes Gelenk vorgesehen sein, über das die Klappe 3 an der Übergangsstelle 30 an einer gemeinsamen Innenwandung beider Nebenkanäle 2a, 2b befestigt ist.
-
In einer möglichen alternativen Ausgestaltung kann einem Brennstoffzellensystem, das mehr als zwei Brennstoffzellenstapel aufweist, eine weitere Ausführungsform einer Befeuchtungseinrichtung zugeordnet sein, wobei jedem dieser Brennstoffzellenstapel jeweils dieselben Komponenten, wie den beiden Brennstoffzellenstapeln 14a, 14b der hier explizit vorgestellten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 12 zugeordnet sind. In diesem Fall kann ein Befeuchtungsgehäuse der Befeuchtungseinrichtung zu einer Symmetrieachse achssymmetrisch ausgebildet und in eine Anzahl Teilkammern, die der Anzahl der Brennstoffzellenstapel entspricht und die durch Trennwände voneinander getrennt sind, unterteilt sein. Die den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln zugeordneten Komponenten sind in diesem Fall zu der gemeinsamen Symmetrieachse achssymmetrisch ausgebildet und angeordnet.
-
Durch Vorsehen der Symmetrie ist es möglich, dass jeder der Teilströme entlang identisch ausgebildeter Komponenten strömt und dabei jeweils in gleicher Weise durch die Komponenten strömungstechnisch beaufschlagt wird. Somit ist zu erreichen, dass jedem Brennstoffzellenstapel 14a, 14b dieselbe Menge Luft zugeführt wird, wobei jeder Teilstrom identische Strömungseigenschaften aufweist, wodurch sämtliche Brennstoffzellenstapel 14a, 14b gleichartig zu betreiben sind.
-
Bei einem Betrieb der Befeuchtungseinrichtung 10 und des Brennstoffzellensystems 12 wird ein Strom komprimierter, trockener bzw. nicht befeuchteter frischer Luft einflutig aus einem hier nicht dargestellten, vorgelagerten Bauteil, z. B. einem Verdichter, durch den Hauptkanal 1 zu der Übergangsstelle 30 der beiden Nebenkanäle 2a, 2b gefördert und dabei in hier zwei Teilströme aufgeteilt. Innerhalb der Befeuchtungseinrichtung 10 wird ein jeweils einströmender Teilstrom frischer Luft in zwei Nebenkanäle 2a, 2b aufgetrennt bzw. aufgeteilt.
-
Zur Kompensation von unterschiedlichen Druckabfällen über die Brennstoffzellenstapel 14a, 14b und/oder Rohre zwischen den Brennstoffzellenstapeln 14a, 14b oder sonstigen von Luft beaufschlagten Kanälen, bspw. Rohren, wird hier ein hydrodynamischer Querschnitt der Nebenkanäle 2a, 2b durch Blenden unterschiedlich eingestellt. Weiterhin ist es möglich, hydrodynamische Querschnitte anderer Komponenten, z. B. der Austrittskanäle 5a, 5b und/oder der Gaszuführkanäle 7a, 7b, durch darin angeordnete Blenden zu variieren und somit einzustellen. Ein Strom der frischen Luft wird zudem durch Positionieren der einseitig gelagerten Klappe 3 verändert.
-
Die Teilströme, in die der ursprünglich geförderte Strom trockener Luft an der Übergangsstelle 30 aufgeteilt bzw. aufgetrennt wird, strömen danach durch die rohrförmigen Befeuchtungsmodule 4a, 4b, die als Feuchtigkeit übertragende Membranen ausgebildet sind, wodurch die Luft befeuchtet wird. Die nunmehr befeuchteten Teilströme Luft strömen über bzw. durch die Austrittskanäle 5a, 5b zu den Brennstoffzellenstapeln 14a, 14b. Nach Durchlauf der aktiven Flächen innerhalb der Brennstoffzellenstapel 14a, 14b, wobei Luft mit Wasser angereichert wird, wird die nunmehr befeuchte Luft als Abgas der Brennstoffzellenstapel 14a, 14b über die getrennten Gaszuführkanal 6a, 6b den Befeuchtungsmodulen 4a, 4b wieder zugeführt, wobei die befeuchtete Luft um und/oder durch ein jeweiliges Befeuchtungsmodul 4a, 4b strömt und/oder geleitet wird. Hierbei kann jeweils ein Teilstrom aus befeuchteter Luft sowohl über einen hier dargestellten Gegenstrom aber auch als Gleich- oder Querstrom zugeführt werden. Eine konkrete Art einer Zufuhr der Luft ist hier situativ zu gestalten.
-
In der dargestellten Ausführungsform fließt die befeuchtete Luft als Abgas von der Trennwand 8 getrennt entlang der und/oder durch die Befeuchtungsmodule 4a, 4b, um über den mindestens einen Auslasstrichter 9 einer weiteren Verarbeitung zugeführt zu werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein Zusammenführen der befeuchteten Luft bereits nach deren Einströmen mit den Einlassmodulen 7a, 7b durchgeführt werden. Eine Verteilung und/oder Regulierung der durch den Hauptkanal 1 einströmenden und auf die Nebenkanäle 2a, 2b aufzuteilenden Luft wird durch Einstellen einer Position der Klappe 3 reguliert, wodurch den Nebenkanälen 2a, 2b unterschiedliche Mengen an Luft zugeführt werden können, wodurch zu erreichen ist, dass den Brennstoffzellenstapeln 14a, 14b zum gleichen Zeitpunkt dieselbe Menge Luft zugeführt wird. Eine ergänzende Regulierung der Menge an Luft wird durch Regulierung der Querschnittsflächen der Nebenkanäle 2a, 2b über die Blenden erreicht.
-
In weiterer Ausgestaltung kann auch in jedem Austrittskanal 5a, 5b und/oder in jedem Gaszuführkanal 6a, 6b jeweils eine Blende angeordnet sein, über die eine Querschnittsfläche des jeweiligen Austrittskanals 5a, 5b und/oder Gaszuführkanals 6a, 6b reguliert werden und somit Strömungseigenschaften der jeweils durchströmenden Luft zu beeinflussen sind. Eine Einstellung der Klappe 3 sowie mindestens einer Blende in mindestens einem Nebenkanal 2a, 2b, einem Austrittskanal 5a, 5b und/oder einem Gaszuführkanal 6a, 6b kann in Abhängigkeit einer Strömungseigenschaft und/oder Menge der jeweils durchströmenden Luft eingestellt werden, wobei eine jeweilige Strömungseigenschaft durch nicht weiter dargestellte Sensoren zu ermitteln ist. Somit ist jedem Brennstoffzellenstapel 14a, 14b zeitgleich dieselbe Menge Luft mit derselben Strömungseigenschaft zuführbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 112004001832 B4 [0004]
- DE 102008033472 B4 [0005]
- US 7727661 B1 [0006]
- DE 10102358 B4 [0007]
