DE102014017985A1 - Gas / gas humidifier and housing for it - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gas/Gas-Befeuchter (10) mit einer Vielzahl von flachen für Wasserdampf durchlässigen Membranen (13), welche in Rahmen gehalten und zu einem Stapel (20) aufgestapelt sowie über Spanneinrichtungen miteinander verspannt sind. Der erfindungsgemäße Gas/gas-Befeuchter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtungen Spannbänder (21) und in Stapelrichtung wirkende Federelemente (22) aufweisen.The invention relates to a gas / gas humidifier (10) with a plurality of flat membranes permeable to water vapor (13), which are held in frames and stacked to form a stack (20) and clamped together by means of clamping devices. The gas / gas humidifier according to the invention is characterized in that the clamping devices have clamping bands (21) and spring elements (22) acting in the stacking direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gas/Gas-Befeuchter nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Gehäuse für einen derartigen Befeuchter. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung eines Gas/Gas-Befeuchters gemäß der Erfindung mit oder ohne Gehäuse.The invention relates to a gas / gas humidifier according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a housing for such a humidifier. Finally, the invention also relates to the use of a gas / gas humidifier according to the invention with or without housing.

Gas/Gas-Befeuchter sind insbesondere aus dem Gebiet der Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt und dem Fachmann geläufig. Hier werden sie typischerweise dazu eingesetzt, trockene Zuluft zu der Brennstoffzelle entsprechend zu befeuchten, indem sie an für Wasserdampf durchlässigen Membranen vorbei geführt wird. Auf der anderen Seite der Membran befindet sich die mit Feuchte beladene Abluft aus dem Brennstoffzellensystem. Die Membranen selbst sind nicht für die Gase sondern ausschließlich für die Feuchte durchlässig, sodass die in der Brennstoffzelle entstandene Feuchte zu Befeuchtung der Zuluft für die Brennstoffzelle eingesetzt werden kann.Gas / gas humidifiers are well known in particular from the field of fuel cell systems and familiar to the expert. Here they are typically used to appropriately humidify dry supply air to the fuel cell by passing it through membranes permeable to water vapor. On the other side of the membrane is the moisture laden exhaust air from the fuel cell system. The membranes themselves are not permeable to the gases but only to the moisture, so that the moisture produced in the fuel cell can be used to humidify the supply air for the fuel cell.

Ein solcher Befeuchter kann nun insbesondere als Stapel von in Kunststoffrahmen gehaltenen wasserdampfdurchlässigen Membranen aufgebaut sein. Ein solcher gestapelter Aufbau eines Gas/Gas-Befeuchters ist beispielsweise aus der DE 10 2005 037 485 A1 bekannt. Der dort beschriebene Aufbau ist als Stapel ausgeführt, welcher zwischen zwei Endplatten aufgestapelt ist, wobei die Endplatten die Anschlüsse zur Zufuhr und Abfuhr des zu befeuchtenden Mediums und des die Feuchte liefernden Mediums aufweisen. Der Stapel der einzelnen Membranen bzw. einzelnen Befeuchtungszellen ist dabei zwischen den Endplatten aufgestapelt, welche wiederum über Zuganker fest miteinander verspannt sind. Problematisch ist es nun, dass sich während des Betriebs, je nachdem, welcher Druck, welche Temperatur und welcher Feuchtezustand vorliegt eine gewisse Dehnung der einzelnen Platten des Befeuchters ergibt. Im Endeffekt führt dies dazu, dass die Spannung auf die einzelnen Befeuchterzellen bzw. Platten zunimmt, sodass diese zum Teil sehr stark komprimiert werden. Allein dies kann bereits zu einer unerwünschten Schädigung, z. B. zu einem plastischen Quetschen der Dichtungen, führen. Im weiteren Betrieb kann es nun dazu kommen, dass die Bedingungen sich so verändern, dass die einzelnen Platten ihre Ausdehnung wiederum verringern, was dann zu Undichtheiten in dem Befeuchter führen kann. Schlimmstenfalls können einzelne Platten des Befeuchters auch verschoben werden, sodass der gesamte Aufbau beschädigt ist und die ihm zugedachte Funktionalität nicht oder nicht mehr zuverlässig erfüllen kann. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar, insbesondere beim Einsatz des Befeuchters in Systemen, welche häufig wechselnden Bedingungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen, welche bei sehr unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und mit häufig und dynamisch wechselnden Lastzuständen genutzt werden.Such a humidifier can now be constructed, in particular, as a stack of water vapor-permeable membranes held in plastic frames. Such a stacked structure of a gas / gas humidifier is for example from the DE 10 2005 037 485 A1 known. The structure described therein is designed as a stack, which is stacked between two end plates, wherein the end plates have the connections for the supply and removal of the medium to be humidified and the moisture-supplying medium. The stack of individual membranes or individual humidification cells is stacked between the end plates, which in turn are firmly clamped together by tie rods. The problem now is that during operation, depending on which pressure, which temperature and which moisture state, there is a certain elongation of the individual plates of the humidifier. In the end, this causes the voltage on the individual humidifier cells or plates to increase, so that they are in some cases very heavily compressed. This alone can already lead to unwanted damage, eg. B. to a plastic squeezing of the seals lead. In the further operation, it may happen that the conditions change so that the individual plates in turn reduce their expansion, which can then lead to leaks in the humidifier. In the worst case, individual plates of the humidifier can also be moved so that the entire structure is damaged and its intended functionality can not or no longer reliably fulfill. This presents a significant disadvantage, particularly in the use of the humidifier in systems which are often exposed to changing conditions, such as fuel cell systems in vehicles, which are used at very different ambient temperatures and with frequently and dynamically changing load conditions.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Gas/Gas-Befeuchter anzugeben, welcher diese Nachteile vermeidet und auch bei sehr unterschiedlichen und während des Betriebs häufig wechselnden Betriebsbedingungen eine sichere und zuverlässige Funktionalität über einen langen Betriebszeitraum hinweg gewährleistet.The object of the present invention is to provide a gas / gas humidifier, which avoids these disadvantages and ensures safe and reliable functionality over a long period of operation even with very different and frequently changing operating conditions during operation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gas/Gas-Befeuchter mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem ein Gehäuse für einen derartigen Gas/Gas-Befeuchter angegeben, welches zusammen mit dem Befeuchter die Aufgabe ebenfalls löst. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den entsprechenden Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung des Gas/Gas-Befeuchters mit oder ohne sein Gehäuse angegeben.According to the invention this object is achieved by a gas / gas humidifier with the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments result from the dependent claims. In claim 7, a housing for such a gas / gas humidifier is also specified, which also solves the problem together with the humidifier. Again, advantageous developments of the corresponding subclaims. In claim 10, a particularly preferred use of the gas / gas humidifier is also indicated with or without its housing.

Bei dem erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchter ist es so, dass dieser vergleichbar wie Befeuchter im Stand der Technik als Stapel von in Kunststoffrahmen gehaltenen oder mit diesem verbundenen Membranen aufgebaut ist. Dieser Stapel von einzelnen Befeuchterzellen wird dann verspannt. Erfindungsgemäß ist es so, dass als Spanneinrichtungen Spannbänder und in Stapelrichtung wirkende Federelemente eingesetzt werden. Die Spannbänder, welche aus einem flexiblen oder festen Material ausgebildet sein können, werden mit den in Stapelrichtung wirkenden Federelementen kombiniert, oder falls die Spannbänder selbst aus einem elastischen Material ausgebildet sind, können Federelemente und Spannbänder auch als eine integrierte Einheit funktionieren. Die Funktionalität ist bei allen Aufbauten im Wesentlichen die, dass über die Spannbänder eine grundsätzliche Verspannung der einzelnen Kunststoffrahmen mit ihren Membranen, also der einzelnen Befeuchterzellen, welche häufig auch als Platten bezeichnet werden, erzielt wird. Dieser Stapel an Platten wird also so verspannt, dass der Befeuchter als in sich stabiler und funktionaler Aufbau entsteht. Durch die Federelemente, welche in die Spannbänder integriert, durch diese, im Falle ihrer Ausführung aus elastischem Material, gebildet werden oder welche alternativ oder ergänzend hierzu in den Stapel integriert ausgeführt werden, wird eine sehr hohe Flexibilität des Aufbaus erreicht. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine eventuelle Ausdehnung der einzelnen Platten beispielsweise aufgrund von Temperatur, Druck und Feuchtigkeit durch die Federelemente aufgenommen werden kann, ohne dass es zu einer Überlastung des Stapels in Stapelrichtung durch zu große Druckkräfte kommt. Andererseits kann auch im Falle einer Verringerung der Dicke einzelner Platten des Stapels durch die Federelemente ein Ausgleich erfolgen, sodass auch in dieser Situation weiterhin eine sichere und zuverlässige Verspannung der einzelnen Platten gewährleistet ist. Damit wird ein stabiler Aufbau und eine sichere und zuverlässige Abdichtung erreicht. Insbesondere die eingangs geschilderte Problematik, dass einzelne Platten sich seitlich aus dem Stapel herausbewegen können, kann somit sicher und zuverlässig verhindert werden. Es entsteht ein unter allen Betriebsbedingungen sehr gut funktionierender Stapel an Platten, welcher einerseits hoch flexibel ist und andererseits dauerhaft die von ihm angedachte Funktion über eine sehr lange Laufzeit gewährleisten kann. Anders als bei den Aufbauten im Stand der Technik kann auf zusätzliche Dichtelemente und dergleichen, um die eingangs beschriebenen Nachteile abzumildern, bei diesem Aufbau verzichtet werden, sodass dieser neben den bereits genannten Vorteilen außerordentlich kompakt, einfach und leicht aufgebaut werden kann.In the case of the gas / gas humidifier according to the invention, it is the case that, like humidifiers in the prior art, it is constructed as a stack of membranes held in or connected to plastic frames. This stack of individual humidifier cells is then clamped. According to the invention, tensioning straps and spring elements acting in the stacking direction are used as tensioning devices. The tension straps, which may be formed of a flexible or rigid material, are combined with the stacking direction spring elements, or if the tension straps themselves are formed of an elastic material, spring elements and straps may also function as an integral unit. The functionality of all constructions is essentially that over the tension straps a fundamental bracing of the individual plastic frame with their membranes, so the individual humidification, which are often referred to as plates, is achieved. This stack of plates is thus braced so that the humidifier as inherently stable and functional structure arises. By the spring elements, which are integrated into the tension bands, by this, in the case of their execution of elastic material, formed or which are alternatively or additionally performed in the stack integrated, a very high flexibility of the structure is achieved. This ensures that any expansion of the individual plates, for example, due to temperature, pressure and humidity by the spring elements can be taken without causing an overload of the stack in the stacking direction by excessive pressure forces. On the other hand, even in the case of a reduction in the thickness of individual plates of the stack can be compensated by the spring elements, so that even in this situation continues to ensure a secure and reliable clamping of the individual plates. This achieves a stable construction and a safe and reliable seal. In particular, the above-described problematic that individual plates can move laterally out of the stack can thus be safely and reliably prevented. The result is a very well working under all operating conditions stack of plates, which on the one hand highly flexible and on the other hand can permanently ensure its intended function over a very long term. Unlike the constructions in the prior art, additional sealing elements and the like, in order to mitigate the disadvantages described above, are dispensed with in this structure, so that it can be extremely compact, simple and easy in addition to the advantages already mentioned.

Auch wenn es natürlich grundsätzlich denkbar ist, die Federelemente in den Stapel selbst oder in die Spannbänder zu integrieren, ist es gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee vorgesehen, dass die Federelemente auf jeweils einer der Seiten des Stapels angeordnet sind. Eine solche Anordnung auf einer der Seiten des Stapels ermöglicht alle oben genannten Vorteile und erlaubt trotz ihrer Anordnung auf lediglich einer Seite des Stapels eine gleichmäßige Verspannung der einzelnen Platten innerhalb des Gas/Gas-Befeuchters im erfindungsgemäßen Aufbau. Durch die Anordnung der Federelemente auf einer Seite des Stapels entsteht darüber hinaus ein Aufbau, welcher außerordentlich einfach und leicht zu handhaben ist, da die den Federelementen gegenüberliegende Seite des Stapels sich ideal eignet, um diesen entsprechend aufzunehmen, zu befestigen, aufzustellen oder dergleichen. Die gegenüberliegende Seite mit den Federelementen kann dann entsprechend frei bleiben, sodass die durch die Federelemente erzielte Flexibilität ideal genutzt werden kann.Although it is of course conceivable in principle to integrate the spring elements in the stack itself or in the clamping bands, it is provided according to a particularly advantageous development of the idea according to the invention that the spring elements are arranged on each of the sides of the stack. Such an arrangement on one of the sides of the stack allows all the above-mentioned advantages and, despite being arranged on only one side of the stack, allows uniform clamping of the individual plates within the gas / gas humidifier in the construction according to the invention. The arrangement of the spring elements on one side of the stack also creates a structure which is extremely simple and easy to handle, since the opposite side of the spring elements of the stack is ideally suited to receive them accordingly, to attach, set up or the like. The opposite side with the spring elements can then remain correspondingly free, so that the flexibility achieved by the spring elements can be ideally used.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters sieht es nun ferner vor, dass dieser zusätzlich zu den einzelnen Platten bzw. Befeuchterzellen einen Wasserabscheider aufweist, welcher als Teil des Stapels ausgebildet ist. Ein solcher Wasserabscheider ist häufig notwendig oder sinnvoll, beispielsweise bei Brennstoffzellensystemen, bei denen verhindert werden soll, dass Tröpfchen in den Bereich der Brennstoffzelle gelangen bzw. auf der die Feuchte liefernden Seite Tropfen aus dem Befeuchter herausgelangen und beispielsweise eine nachgeschaltete Abluftturbine schädigen können. Aus diesem Grund ist es bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäß aufgebauten Gas/Gas-Befeuchters vorgesehen, dass der häufig ohnehin benötigte Wasserabscheider in den Stapel mit integriert ist. Ein solcher Aufbau ist außerordentlich kompakt und erlaubt außerdem hinsichtlich des Wärmemanagements entsprechende Vorteile, da sowohl der Befeuchter als auch der Wasserabscheider potenziell hinsichtlich eines Einfrierens gefährdet sind. Durch die Integration dieser beiden Bauteile in eine einzige Baueinheit werden somit Synergien frei, welche sowohl der sicheren und zuverlässigen Funktionalität des Befeuchters als auch des Wasserabscheiders zuträglich sind.A further very favorable embodiment of the gas / gas humidifier according to the invention now further provides that, in addition to the individual plates or humidifier cells, it also has a water separator which is designed as part of the stack. Such a water separator is often necessary or useful, for example in fuel cell systems, where it is intended to prevent droplets from entering the area of the fuel cell or leaving droplets from the humidifier on the side delivering the moisture and, for example, damaging a downstream exhaust air turbine. For this reason, it is provided in this advantageous development of the gas / gas humidifier constructed according to the invention that the water separator, which is often required in any case, is integrated into the stack. Such a construction is extremely compact and also allows for thermal management benefits since both the humidifier and the water trap are potentially at risk of freezing. The integration of these two components in a single unit thus synergies are free, which are beneficial to both the safe and reliable functionality of the humidifier and the water separator.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Federelemente zumindest teilweise zwischen dem Stapel der Kunststoffrahmen und dem Wasserabscheider angeordnet sind. Die Federelemente werden bei diesem Aufbau also zwischen dem Wasserabscheider und dem Rest des Stapels, also die Platten bzw. Befeuchterzellen, integriert. Durch diesen Aufbau liegen die Federelemente nicht mehr außen, sodass nicht mehr befürchtet werden muss, dass die Federelemente gegebenenfalls mit außerhalb des Gas/Gas-Befeuchters angeordneten Bauelementen in Kontakt kommen und hierdurch in ihrer Funktionalität eingeengt und/oder geschädigt werden. Vielmehr liegen die Federelemente zwischen dem Wasserabscheider und den einzelnen Platten des Befeuchters, sodass eine sichere und zuverlässige Funktionalität einerseits und eine Ausnutzung des Befeuchters als eine Art die Federkraft gleichmäßig verteilender Endplatte andererseits möglich wird. Der Aufbau wird hierdurch noch kompakter und leichter, ohne an Funktionalität einzubüßen.According to a further advantageous embodiment of this idea of the gas / gas humidifier according to the invention, it can now also be provided that the spring elements are arranged at least partially between the stack of the plastic frame and the water separator. The spring elements are thus integrated in this structure between the water and the rest of the stack, so the plates or humidifier. As a result of this structure, the spring elements are no longer outside, so that there is no longer any need to fear that the spring elements will possibly come into contact with components arranged outside the gas / gas humidifier and thus be restricted in their functionality and / or damaged. Rather, the spring elements between the water and the individual plates of the humidifier, so that safe and reliable functionality on the one hand and a utilization of the humidifier as a kind of spring force evenly distributing end plate on the other hand is possible. The structure is thereby even more compact and lighter, without losing functionality.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der Stapel auf einer seiner Seiten in Stapelrichtung Aufnahmeelemente zur Befestigung aufweist. Solche Aufnahmeelemente zur Befestigung, insbesondere auf der den Federelementen gegenüberliegenden Seite bei der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung des Gas/Gas-Befeuchters, erlauben eine sichere und zuverlässige Befestigung einerseits, ohne einer Ausdehnung im Betrieb, einer Art „Atmen” des Stapels und der in diesem Zusammenhang gewünschten Funktionalität der Federelemente entgegenzuwirken. Der Stapel kann sich also im Rahmen der durch die Federelemente erlaubten Länge in Stapelrichtung ausdehnen und zusammenziehen, ohne dass die auf einer Seite in Stapelrichtung angebrachten Aufnahmeelemente zu seiner Befestigung hiervon betroffen sind. Der Stapel kann somit auf der einen Seite befestigt werden und erlaubt dennoch die flexible „Atmung” im Falle unterschiedlicher auftretender Bedingungen.According to a further very advantageous embodiment of the gas / gas humidifier according to the invention, it can now also be provided that the stack has on one of its sides in the stacking direction receiving elements for attachment. Such receiving elements for attachment, in particular on the opposite side of the spring elements in the advantageous embodiment of the gas / gas humidifier described above, allow a secure and reliable attachment on the one hand, without an expansion in operation, a kind of "breathing" of the stack and in this Context desired functionality of the spring elements counteract. The stack can therefore expand and contract in the stacking direction within the scope of the length permitted by the spring elements, without the receiving elements mounted on one side in the stacking direction being affected for its attachment thereof. The stack can thus be fixed on one side and allowed nevertheless the flexible "breathing" in case of different occurring conditions.

Gemäß einer sehr vorteilhaften und günstigen Weiterbildung hiervon ist es nun ferner vorgesehen, dass die Aufnahmeelemente zusammen mit den Zu- und Ableitungen in einem Modul auf einer Seite des Stapels ausgebildet sind. Eine solche Zusammenfassung der Zu- und Ableitungen aller Gase sowie der Aufnahmeelemente auf der einen Seite des Stapels in einer Art Modul ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, welcher sehr einfach bei der Montage angeschlossen werden kann, und welcher in Stapelrichtung auf der dem Modul abgewandten Seite die notwendige Bewegungsfreiheit aufweist, um einerseits sicher und zuverlässig abgedichtet zu sein und sich andererseits bei sich ändernden Bedingungen auch entsprechend bewegen bzw. atmen zu können.According to a very advantageous and favorable development thereof, it is now further provided that the receiving elements are formed together with the supply and discharge lines in a module on one side of the stack. Such a summary of the supply and discharge of all gases and the receiving elements on one side of the stack in a kind of module allows a very compact design, which can be easily connected during assembly, and which in the stacking direction on the side facing away from the module has the necessary freedom of movement, on the one hand to be safely and reliably sealed and on the other hand to be able to move or breathe in changing conditions accordingly.

Ein Gehäuse zur Aufnahme eines Gas/Gas-Befeuchters gemäß der Erfindung sieht es vor, dass der Gas/Gas-Befeuchter in dem Gehäuse an einer zum Gehäuse gehörenden bzw. mit dem Gehäuse verbundenen Tragstruktur befestigt ist. Der Stapel selbst ist also nicht an zahlreichen Stellen innerhalb des Gehäuses aufgenommen, sondern lediglich an einer Tragstruktur befestigt, beispielsweise gemäß der beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung über Aufnahmeelemente auf einer Seite des Stapels.A housing for receiving a gas / gas humidifier according to the invention provides that the gas / gas humidifier in the housing is attached to a housing belonging to the housing or connected to the support structure. The stack itself is thus not added to numerous locations within the housing, but merely attached to a support structure, for example according to the described advantageous development on receiving elements on one side of the stack.

Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gehäuses kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Gas/Gas-Befeuchter im bestimmungsgemäßen Einsatz hängend an der Tragstruktur befestigt ist. Eine solche im bestimmungsgemäßen Einsatz hängende Befestigung an der Tragstruktur sieht die Tragstruktur des Gehäuses oberhalb des eigentlichen Gas/Gas-Befeuchters vor. Diese Art der Befestigung ist einerseits sehr platzsparend und erlaubt somit einen kompakten modularen Aufbau aus Gehäuse, Tragstruktur und Gas/Gas-Befeuchter. Andererseits ermöglicht der Aufbau eine vergleichsweise freie Bewegung des Befeuchters innerhalb des Gehäuses und der Tragstruktur, insbesondere mit dem Ziel, die durch die Federelemente geschaffene Flexibilität des Befeuchters während des Betriebs ideal ausnutzen zu können.According to a very favorable development of the housing according to the invention, it can also be provided that the gas / gas humidifier is attached in the intended use hanging on the support structure. Such attachment to the support structure hanging in the intended use provides the support structure of the housing above the actual gas / gas humidifier. This type of attachment is on the one hand very space-saving and thus allows a compact modular structure of housing, support structure and gas / gas humidifier. On the other hand, the structure allows a comparatively free movement of the humidifier within the housing and the support structure, in particular with the aim of being able to exploit ideally the flexibility of the humidifier created by the spring elements during operation.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Gehäuses mit dem erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchter kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Tragstruktur bei einem Aufbau des Gas/Gas-Befeuchters mit dem Modul aus Aufnahmeelementen und Zu- und Ableitungen eben dieses Modul mit umfasst. Das Modul ist also Teil der Tragstruktur oder wird mit der Tragstruktur fix verbunden, sodass ein sehr kompakter und funktionaler Aufbau des Befeuchters innerhalb des Gehäuses mit der Tragstruktur erzielt werden kann.According to a further very favorable embodiment of the housing with the gas / gas humidifier according to the invention, it can now also be provided that the support structure in a structure of the gas / gas humidifier with the module comprising receiving elements and supply and discharge lines just includes this module , The module is thus part of the support structure or is fixedly connected to the support structure, so that a very compact and functional structure of the humidifier can be achieved within the housing with the support structure.

Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters mit oder ohne das Gehäuse sieht es dabei vor, dass dieser zur Befeuchtung eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingesetzt wird. Insbesondere beim Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, und hier insbesondere in einem ein Fahrzeug mit elektrischer Antriebsleistung versorgenden Brennstoffzellensystem, treten einerseits sich sehr stark unterscheidende Betriebsbedingungen hinsichtlich Druck, Temperatur und dergleichen auf. Andererseits kommt es im Fahrzeugeinsatz häufig zu Vibrationen, welche die Dichtheit und den dichten und kompakten Aufbau eines aus Platten aufgebauten Gas/Gas-Befeuchters ebenfalls nachteilig beeinflussen. Für all diese Anwendungen ist der erfindungsgemäß aufgebaute Gas/Gas-Befeuchter mit oder ohne das Gehäuse ideal geeignet, da er über die Spannbänder und die Federelemente die unterschiedlichen Bedingungen und/oder Vibrationen ideal ausgleichen kann, ohne dass hierdurch Undichtheiten des Befeuchters zu befürchten wären. Der Aufbau eignet sich daher ideal für derartige Fahrzeuganwendungen, sodass hierin seine bevorzugte Verwendung zu sehen ist.The particularly preferred use of the gas / gas humidifier according to the invention with or without the housing provides that it is used for humidifying a gas flow flowing to a fuel cell in a fuel cell vehicle. In particular, when used in a fuel cell system, and in particular in a fuel cell system supplying a vehicle with electric drive power, on the one hand there are very strongly differing operating conditions with regard to pressure, temperature and the like. On the other hand, it often comes in vehicle use to vibrations, which also adversely affect the tightness and the dense and compact construction of a plate constructed gas / gas humidifier. For all these applications, the gas / gas humidifier constructed according to the invention is ideally suited with or without the housing, since it can ideally compensate for the different conditions and / or vibrations via the tensioning straps and the spring elements, without this causing leaks in the humidifier. The structure is therefore ideally suited for such vehicle applications, so its preferred use is to be seen herein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gas/Gas-Befeuchters und seines Gehäuses mit der Tragstruktur ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the gas / gas humidifier and its housing with the support structure also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und 1 a principle indicated fuel cell system in a vehicle; and

2 einen Gas/Gas-Befeuchter in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung. 2 a gas / gas humidifier in a possible embodiment according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 angedeutet. Dieses Brennstoffzellensystem 1 soll ein ebenfalls nur angedeutetes Fahrzeug 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack 3, aufgebaut ist. Jede der Einzelzellen dieses Brennstoffzellenstacks 3 umfasst dabei einen Anodenraum 4, welcher in der dargestellten und sehr stark vereinfachten Ausgestaltung mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 5 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 6 versorgt wird. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel direkt aus dem Anodenraum 4 in die Umgebung. Andere Aufbauten wie beispielsweise eine Anodenrezirkulation, das Eindüsen in die Abluft und dergleichen sind dem Fachmann geläufig und für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, weshalb auf derartige Aufbauten nicht weiter eingegangen wird.In the presentation of the 1 is a very highly schematized fuel cell system 1 indicated. This fuel cell system 1 should also only indicated vehicle 2 supply with electrical drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 , which typically as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack 3 , is constructed. Each of the single cells of this fuel cell stack 3 includes an anode compartment 4 , which in the illustrated and very much simplified design with hydrogen from a compressed gas storage 5 via a pressure regulating and metering device 6 is supplied. Unconsumed hydrogen passes directly from the anode chamber in the embodiment shown here 4 in the nearby areas. Other constructions, such as anode recirculation, injection into the exhaust air and the like, are familiar to the person skilled in the art and are of secondary importance for the present invention. why will not be discussed further on such structures.

Die Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks 3 wird hier beispielhaft durch einen gemeinsamen Kathodenraum 7 versinnbildlicht, wobei im realen Aufbau jeweils die Kathodenräume der Einzelzellen über eine angedeutete Membran 8 von den Anodenräumen 4 der Einzelzellen getrennt sind. Ein solcher Aufbau des Brennstoffzellenstacks 3 in PEM-Technologie erfordert nun typischerweise, um eine lange Lebensdauer der Membranen 8 zu gewährleisten, dass die zu dem Brennstoffzellenstack 3 zugeführte Zuluft, welche durch eine Luftfördereinrichtung 9 gefördert und dem Brennstoffzellenstack 3 als Sauerstofflieferant zur Verfügung gestellt wird, entsprechend befeuchtet wird. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Gas/Gas-Befeuchter 10 vorgesehen. Dieser weist einen Raum 11 für die zu befeuchtende Zuluft einerseits und einen Raum 12 für die Abluft aus dem Brennstoffzellenstack 3 als Feuchtelieferant auf. Diese beiden Räume 11, 12 sind von für Wasserdampf, nicht jedoch die Gase, durchlässigen Membranen 13 voneinander getrennt. Hierdurch wird eine Befeuchtung der Zuluft im Raum 11 durch die die in der Brennstoffzelle 3 entstandene Feuchte transportierende Abluft im Raum 12 bewerkstelligt. Der Aufbau des Gas/Gas-Befeuchters 10 kann dabei insbesondere als Stapel von Befeuchterzellen ausgebildet sein, wie es grundlegend aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist. Die Abluft, welche ihre Feuchte in dem Gas/Gas-Befeuchter 10 an die Zuluft abgegeben hat, strömt dann über eine Abluftturbine 14 in die Umgebung. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abluftturbine 14 zusammen mit der Luftfördereinrichtung 9 und einer elektrischen Maschine 15 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. Die aus der Abluft zurückgewonnene Energie kann somit dem Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 zu Gute kommen, sodass durch die elektrische Maschine 15 als Antriebsmotor für die Luftfördereinrichtung 9 weniger Leistung benötigt wird. Dies erlaubt Wirkungsgradvorteile. In Sondersituationen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Abluftturbine 14 mehr Leistung anliegt, als von der Luftfördereinrichtung 9 benötigt wird. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 15 generatorisch betrieben werden, um diese Leistung in Form von elektrischer Leistung aus der Abluft zurückzugewinnen und für anderweitige Nebenverbraucher zu nutzen und/oder zwischenzuspeichern.The cathode side of the fuel cell stack 3 is exemplified by a common cathode space 7 symbolized, wherein in the real structure in each case the cathode chambers of the individual cells via an indicated membrane 8th from the anode chambers 4 the individual cells are separated. Such a structure of the fuel cell stack 3 in PEM technology now typically requires a long life of the membranes 8th to ensure that the fuel cell stack 3 supplied supply air, which by an air conveyor 9 promoted and the fuel cell stack 3 is provided as an oxygen supplier, is moistened accordingly. This is in the presentation of the 1 a gas / gas humidifier 10 intended. This one has a room 11 for the supply air to be humidified on the one hand and a room 12 for the exhaust air from the fuel cell stack 3 as a moisture supplier. These two rooms 11 . 12 are of permeable to water vapor, but not the gases, permeable membranes 13 separated from each other. As a result, a humidification of the supply air in the room 11 through the ones in the fuel cell 3 resulting moisture transporting exhaust air in the room 12 accomplished. The construction of the gas / gas humidifier 10 can be designed in particular as a stack of humidifier, as it is fundamentally known from the aforementioned prior art. The exhaust air, which is its moisture in the gas / gas humidifier 10 has delivered to the supply air, then flows through an exhaust air turbine 14 in the nearby areas. In the embodiment shown here, the exhaust air turbine 14 together with the air conveyor 9 and an electric machine 15 arranged on a common shaft. This structure is also referred to as an electric turbocharger or engine-assisted turbocharger. The recovered from the exhaust air energy can thus drive the air conveyor 9 to benefit, so by the electric machine 15 as a drive motor for the air conveyor 9 less power is needed. This allows efficiency advantages. In special situations, it can also happen that in the exhaust air turbine 14 more power than the air conveyor 9 is needed. In this case, the electric machine 15 be operated as a generator to recover this power in the form of electrical power from the exhaust air and to use for other secondary consumers and / or buffer.

Insbesondere bei dem hier beschriebenen Aufbau mit der Abluftturbine 14 ist es nun so, dass eine derartige Abluftturbine 14 mit sehr hoher Drehzahl betrieben wird. Sie ist entsprechend empfindlich gegen den Eintrag von flüssigen Tröpfchen, da diese das Laufrad der Turbine nachhaltig schädigen könnten. Aus diesem Grund ist in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine 14 ein Wasserabscheider 16 angeordnet. Dieser Wasserabscheider 16 mit einer Ableitung 17, in welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ablassventil 18 angeordnet ist, soll dabei in den Gas/Gas-Befeuchter 10 integriert ausgeführt sein.In particular, in the structure described here with the exhaust air turbine 14 It is now the case that such an exhaust air turbine 14 operated at very high speed. It is correspondingly sensitive to the entry of liquid droplets, since they could cause lasting damage to the impeller of the turbine. For this reason, in the flow direction of the exhaust air in front of the exhaust air turbine 14 a water separator 16 arranged. This water separator 16 with a derivative 17 , in which in the embodiment shown here a drain valve 18 is arranged to be in the gas / gas humidifier 10 be executed integrated.

Der erfindungsgemäße Gas/Gas-Befeuchter 10 in der oben beschriebenen Ausführungsvariante mit dem integrierten Wasserabscheider 16 soll nun insbesondere so ausgebildet sein, wie es sich aus der Prinzipdarstellung der 2 im Detail ergibt. Der Gas/Gas-Befeuchter 10 besteht aus einzelnen Platten bzw. Befeuchterzellen, von welchen einige in der Darstellung der 2 mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnet sind. Diese bilden zusammen den mit 20 bezeichneten Stapel der einzelnen Befeuchterzellen 19. An diesen Stapel 20 schließt sich in der Darstellung der 2 an seinem in Stapelrichtung y linken Ende der Wasserabscheider 16 an. Der Wasserabscheider 16 und der Stapel 20 der einzelnen Befeuchterzellen 19 sind dabei über Spannbänder 21 miteinander verspannt. Zusätzlich zu den Spannbändern 21, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus einem starren und nicht elastischen Material ausgebildet sein sollen, sind zwischen den Spannbändern 21 und dem Stapel 20 bzw. in diesem Fall dem Wasserabscheider 16 in Stapelrichtung elastische Federelemente 22 vorgesehen. Die Kombination aus den Spannbändern 21 und den elastischen Federelementen 22 mit ihrer Wirkung in Stapelrichtung y erlaubt nun einen Aufbau, welcher einerseits sicher und zuverlässig verspannt ist, und welcher andererseits Längenänderungen in Stapelrichtung y, welche beispielsweise durch Temperaturschwankungen, Druckschwankungen und/oder Feuchtigkeitsschwankungen auftreten können, ideal ausgleicht, ohne dass der mechanische Aufbau des Stapels 20 und des Wasserabscheiders 16 beeinträchtigt wird, und ohne dass es zu Undichtheiten innerhalb dieses Aufbaus kommt.The gas / gas humidifier according to the invention 10 in the embodiment described above with the integrated water separator 16 should now be designed in particular as it is from the schematic diagram of the 2 in detail results. The gas / gas humidifier 10 consists of individual plates or humidifier cells, some of which in the representation of 2 with the reference number 19 Marked are. These together form the with 20 designated stack of individual humidifier cells 19 , At this pile 20 joins in the presentation of 2 at its left in the stacking direction y end of the water separator 16 at. The water separator 16 and the stack 20 the individual humidifier cells 19 are about clamping bands 21 braced together. In addition to the straps 21 which are to be formed in the embodiment shown here preferably of a rigid and non-elastic material, are between the clamping bands 21 and the pile 20 or in this case the water separator 16 in the stacking direction elastic spring elements 22 intended. The combination of the tension bands 21 and the elastic spring elements 22 with its effect in the stacking direction y now allows a structure which on the one hand is reliably and reliably braced, and which on the other hand ideally compensates length changes in the stacking direction y, which can occur, for example, due to temperature fluctuations, pressure fluctuations and / or moisture fluctuations, without the mechanical structure of the stack 20 and the water separator 16 is affected, and without causing leaks within this structure.

Um die flexible Ausdehnung des Stapels 20 entsprechend der Elastizität der Federelemente 22 nicht einzuschränken, ist in der Darstellung der 2 auf der rechten Seite ein Modul 23 zu erkennen, welches sämtliche Zu- und Ableitungen der Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 einerseits und der Abluft von der Brennstoffzelle 3 andererseits aufweisen soll. Innerhalb des hier als Kasten dargestellten Moduls 23 sind diese nicht explizit dargestellt, dem Fachmann ist ein solcher Aufbau aber geläufig. Zusätzlich zu den Zu- und Ableitungen der Zuluft bzw. Abluft zu dem Stapel 20 der Befeuchterzellen 19 sind innerhalb des Moduls 23 außerdem – nicht dargestellte – Aufnahmeelemente angeordnet, welche insbesondere mit den Spannbändern 21 zusammenwirken sollen, und welche zur mechanischen Aufnahme und Befestigung des Stapels 20 sowie des Wasserabscheiders 16 dienen. Der Aufbau gewährleistet eine gute Funktionalität und erlaubt eine Ausdehnung und ein Zusammenziehen des Aufbaus in Stapelrichtung y, ohne dass dies durch die entsprechenden Aufnahmen und Befestigungen behindert wird.To the flexible expansion of the stack 20 according to the elasticity of the spring elements 22 not limiting is in the presentation of 2 on the right side a module 23 to recognize which all supply and discharge lines of the supply air to the fuel cell 3 on the one hand and the exhaust air from the fuel cell 3 on the other hand should have. Within the module shown here as a box 23 if these are not explicitly shown, the person skilled in the art is familiar with such a structure. In addition to the inlets and outlets of the supply air or exhaust air to the stack 20 the humidifier cells 19 are within the module 23 In addition - not shown - receiving elements arranged, which in particular with the clamping bands 21 should cooperate, and which for mechanical reception and attachment of the stack 20 and the water separator 16 serve. The structure ensures good functionality and allows expansion and contraction of the structure in the stacking direction y, without being hindered by the corresponding receptacles and fasteners.

In der Darstellung der 2 oberhalb des Stapels 20 und des Wasserabscheiders 16 ist nun außerdem ein integriertes Gehäuse mit Tragstruktur 24 angedeutet. Dieses Gehäuse mit der integrierten Tragstruktur 24 soll im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oberhalb des Stapels angeordnet sein, und soll diesen beispielsweise über das Modul 23 entsprechend tragen und trägt gleichzeitig das Gehäuse, welches zum mechanischen Schutz des Gas/Gas-Befeuchters 10 um diesen ausgebildet ist. Der Aufbau lässt sich so sehr sicher, zuverlässig und kompakt realisieren. Ferner muss bei der Endmontage des Aufbaus aus dem Gas/Gas-Befeuchter 10 mit integriertem Wasserabscheider 16 nur das Gehäuse mit der Tragstruktur 24 entsprechend montiert werden, beispielsweise in dem oben genannten Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2. Dies ist außerordentlich einfach und effizient in der Montage und spart Bauraum und Gewicht gegenüber einer aufwändigen Einzelmontage mit getrennten Tragstrukturen ein.In the presentation of the 2 above the stack 20 and the water separator 16 is now also an integrated housing with support structure 24 indicated. This housing with the integrated support structure 24 should be placed in the intended use in the direction of gravity above the stack, and this example, on the module 23 according to wear and at the same time carries the housing, which for the mechanical protection of the gas / gas humidifier 10 trained around this. The structure can be realized so very safe, reliable and compact. Furthermore, during the final assembly of the assembly from the gas / gas humidifier 10 with integrated water separator 16 only the housing with the support structure 24 be mounted according to, for example, in the above-mentioned fuel cell system 1 in the vehicle 2 , This is extremely easy and efficient to install and saves space and weight compared to a complex single installation with separate support structures.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Gas/Gas-Befeuchter (10) mit einer Vielzahl von flachen für Wasserdampf durchlässigen Membranen (13), welche in Rahmen gehalten und zu einem Stapel (20) aufgestapelt sowie über Spanneinrichtungen miteinander verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtungen Spannbänder (21) und in Stapelrichtung wirkende Federelemente (22) aufweisen.Gas / gas humidifier ( 10 ) with a plurality of flat membranes permeable to water vapor ( 13 ), which are held in frames and made into a stack ( 20 ) are stacked and clamped together by means of clamping devices, characterized in that the clamping devices tension straps ( 21 ) and in the stacking direction acting spring elements ( 22 ) exhibit. Gas/Gas-Befeuchter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (22) auf jeweils einer der Seiten des Stapels (20) angeordnet sind.Gas / gas humidifier ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the spring elements ( 22 ) on either side of the stack ( 20 ) are arranged. Gas/Gas-Befeuchter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Membranen (13) und Rahmen ein Wasserabscheider (16) vorgesehen ist, welcher über die Spanneinrichtungen mit dem Stapel (20) verspannt ausgebildet ist.Gas / gas humidifier ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that in addition to the membranes ( 13 ) and frame a water separator ( 16 ) is provided, which on the clamping devices with the stack ( 20 ) is formed clamped. Gas/Gas-Befeuchter (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (22) zumindest teilweise zwischen dem Stapel (20) und dem Wasserabscheider (16) angeordnet sind.Gas / gas humidifier ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the spring elements ( 22 ) at least partially between the stack ( 20 ) and the water separator ( 16 ) are arranged. Gas/Gas-Befeuchter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (20) auf seiner einen Seite in Stapelrichtung (y) Aufnahmeelemente zu seiner Befestigung aufweist.Gas / gas humidifier ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the stack ( 20 ) has on its one side in the stacking direction (y) receiving elements for its attachment. Gas/Gas-Befeuchter (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente zusammen mit den Zu- und Ableitungen in einem Modul (23) auf einer Seite des Stapels (20) angeordnet sind.Gas / gas humidifier ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the receiving elements together with the supply and discharge lines in a module ( 23 ) on one side of the stack ( 20 ) are arranged. Gehäuse mit einer Tragstruktur (24) zur Aufnahme eines Gas/Gas-Befeuchters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas/Gas-Befeuchter (10) an der Tragstruktur befestigt ist.Housing with a supporting structure ( 24 ) for receiving a gas / gas humidifier ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the gas / gas humidifier ( 10 ) is attached to the support structure. Gehäuse mit einer Tragstruktur (24) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gas/Gas-Befeuchter (10) im bestimmungsgemäßen Einsatz hängend an der Tragstruktur befestigt ist.Housing with a supporting structure ( 24 ) according to claim 7, characterized in that the gas / gas humidifier ( 10 ) is attached in the intended use hanging on the support structure. Gehäuse mit einer Tragstruktur (24) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (24) bei einem Gas/Gas-Befeuchter (10) nach Anspruch 6 das Modul (23) mit den Aufnahmeelementen und den Zu- und Ableitungen mit umfasst.Housing with a supporting structure ( 24 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the supporting structure ( 24 ) with a gas / gas humidifier ( 10 ) according to claim 6, the module ( 23 ) with the receiving elements and the supply and discharge lines includes. Verwendung eines Gas/Gas-Befeuchters (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit oder das Gehäuse mit der Tragstruktur (24) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, zur Befeuchtung eines zu einer Brennstoffzelle (3) strömenden Gasstroms in einem Brennstoffzellenfahrzeug (2).Use of a gas / gas humidifier ( 10 ) according to one of claims 1 to 6 with or the housing with the support structure ( 24 ) according to one of claims 7 to 9, for moistening a fuel cell to a ( 3 ) flowing gas stream in a fuel cell vehicle ( 2 ).
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