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Die Erfindung betrifft einen Gas/Gas-Befeuchter mit flachen für Wasserdampf durchlässigen Membranen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Gas/Gas-Befeuchters.
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Gas/Gas-Befeuchter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise weisen derartige Befeuchter für Wasserdampf durchlässige Membranen auf, welche für die die Befeuchter durchströmenden Gase selbst nicht durchlässig sind. Hierdurch entsteht die Möglichkeit, auf der einen Seite der Membranen ein trockenes zu befeuchtendes Gas zu führen und auf der anderen Seite ein mit Feuchtigkeit beladenes Gas, sodass die Feuchte von dem feuchten Gas durch die für Wasserdampf durchlässigen Membranen zu dem trockenen Gas gelangt und dieses entsprechend befeuchtet. Ein solcher Aufbau ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein System mit befeuchtetem (Ab-)Gas versorgt werden muss, und wenn in diesem System gleichzeitig feuchte Gase vorliegen.
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Ein typischer Anwendungszweck für derartige Gas/Gas-Befeuchter sind beispielsweise Brennstoffzellensysteme. Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen benötigen eine Befeuchtung der Zuluft, um die empfindlichen membranförmigen Polymerelektrolyte vor einer Austrocknung zu schützen. Gleichzeitig entsteht in der Brennstoffzelle Wasser und Wasserdampf als eines der Produkte der elektrochemischen Reaktion. Dieser Wasserdampf wird dann mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem gefördert. Durch einen Gas/Gas-Befeuchter, auf dessen einer Seite die trockene zur Brennstoffzelle strömende Zuluft und auf dessen anderer Seite die Feuchte aus der Brennstoffzelle abströmende Abluft strömt, kann so bei minimalem Aufwand eine Befeuchtung des zu der Brennstoffzelle strömenden Gases sichergestellt werden.
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Neben einem Aufbau mit Hohlfasermembranen, welche von dem einen Gas durchströmt und von dem anderen Gas umströmt werden, sind bei Gas/Gas-Befeuchtern auch Aufbauten mit flachen Membranen aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden diese flachen Membranen zwischen Platten mit Strömungskanälen aufgestapelt, wobei durch die Strömungskanäle auf der einen Seite der Membran das zu befeuchtende Gas und durch die Strömungskanäle auf der anderen Seite der Membran das die Feuchte liefernde Gas strömen.
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In der Praxis hat es sich nun als problematisch erwiesen, dass die Gase mit zunehmender Lauflänge in den Strömungskanälen eine zunehmende Schichtung aufgrund der dort vorherrschenden laminaren Strömung erfahren. Insbesondere im in Strömungsrichtung am Ende der Strömungskanäle bzw. dem Kontakt mit der Membran liegenden Bereichen ist es nun so, dass bei den die Feuchte liefernden Gasen eine Schichtung aufgetreten ist, sodass die im Bereich der Membran liegenden Schichten der Gasströmung bereits sehr trocken und die von der Membran abgewandten Schichtungen noch vergleichsweise feucht sind. Auf der gegenüberliegenden Seite stellt sich eine ähnliche Schichtung in umgekehrter Art ein, sodass insbesondere im Abströmbereich die direkt an der Membran strömenden Gasschichten bereits sehr feucht sind, während die an der von der Membran abgewandten Seite des Strömungskanals strömenden Gasschichten noch vergleichsweise trocken sind. Um eine ausreichende Befeuchtung von Gasen zu realisieren, ist deshalb ein vergleichsweise großer Aufbau mit entsprechend vielen Platten und Membranen notwendig. Dies erhöht jedoch die Komplexität des Systems ebenso wie die Notwendigkeit, den Gas/Gas-Befeuchter zuverlässig abzudichten. Letztlich entsteht neben dem Bauraum und der Gesamtgröße des Gas/Gas-Befeuchters hierdurch auch ein erheblicher Kostennachteil.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Gas/Gas-Befeuchter mit flachen für Wasserdampf durchlässigen Membranen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welcher gegenüber diesem Stand der Technik verbessert ist, und welcher insbesondere die genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Gas/Gas-Befeuchter mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung des Gas/Gas-Befeuchters angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchter ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Strömungskanäle und/oder wenigstens ein Abschnitt eines Teils der Strömungskanäle Einbauten zur Beeinflussung der Strömung des Gases aufweist. Durch solche Einbauten kann die Strömung des Gases beeinflusst werden, sodass keine laminare Störung mehr vorliegt. Insbesondere sollen die Einbauten dabei so ausgerichtet sein, dass innerhalb jedes der Strömungskanäle, welcher über derartige Einbauten verfügt, eine um die Längsrichtung des Strömungskanals rotierende Gasströmung auftritt. Hierdurch werden über die Lauflänge des Strömungskanals die Gase durch die Rotationsbewegung entlang aller Wandungen des Strömungskanals und damit auch entlang der Membran geführt und es kommt über die Lauflänge des Strömungskanals zu einem Austausch der Gase, sodass eine Gasschichtung parallel zur Membran mit den eingangs genannten Nachteilen sicher und effizient verhindert wird. Durch eine solche vorzugsweise rotierende Strömung und das Verhindern der Schichtung wird der Feuchtegradient zwischen der einen Seite der Membran und der anderen Seite der Membran über die gesamte Länge des Strömungskanals hinweg entsprechend groß gehalten, sodass eine effiziente Befeuchtung stattfindet. Hierdurch kann der Befeuchter bei gleicher Leistung kleiner aufgebaut werden. Insbesondere sind auch längere Strömungskanäle und damit in Strömungsrichtung der Gase längere Membranen möglich, sodass insgesamt ein Aufbau mit weniger Membranen und weniger Platten, und damit entsprechend weniger Abdichtungen entsteht, was hinsichtlich der Fertigung, Herstellung und Montage ein entscheidender Vorteil ist.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Einbauten in den in Strömungsrichtung des Gases zuerst durchströmten Abschnitten der Strömungskanäle angeordnet sind. Insbesondere ein solcher Aufbau, bei welchem in einigen, vorzugsweise in allen der Strömungskanäle entsprechende Einbauten jeweils nur im zuerst durchströmten Abschnitt des Strömungskanals, also im Einströmbereich, angeordnet sind, funktioniert sehr gut. Die Einbauten im Einströmbereich sorgen für die gewünschte turbulente Gasströmung, insbesondere eine rotierende Gasströmung. Diese wird dann über die gesamte Lauflänge des Kanals hinweg aufrechterhalten, sodass auf weitere Einbauten und die dadurch verursachten Druckverluste verzichtet werden kann.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters sind die Einbauten als Leitrippen ausgebildet und einstückig mit der die Strömungskanäle aufweisenden Platte ausgebildet. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da die Einbauten, in ihrer Ausgestaltung als Leitrippen, direkt mit der Platte zusammen hergestellt werden können, sodass keine aufwändige Montage von Einbauten nach dem Fertigstellen der Platte mit den Strömungskanälen notwendig wird.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass diese Einbauten auf der im späteren Gebrauch der Membran abgewandten Wand des Strömungskanals angeordnet sind. Dieser Aufbau, insbesondere wenn er mit der zuvor beschriebenen Ausführungsvariante kombiniert wird, erlaubt eine sehr einfache und effiziente Herstellung der Platten. Eine Anordnung der Einbauten auf der der Membran abgewandt liegenden Wand des Strömungskanals, also typischerweise auf der Fläche der Platte, ist besonders einfach und effizient, da dies eine sehr kostengünstige Herstellung der Platten ermöglicht, da die auf der der Membran gegenüberliegenden Wand angebrachten Einbauten beispielsweise bei einem Spritzgießen oder Spritzprägen entsprechend einfach entformt werden können, mit den entsprechenden Vorteilen bei den Herstellungskosten der Platten.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee beträgt die Höhe der Einbauten dabei weniger als ein Drittel, bevorzugt weniger als ein Viertel der Kanalhöhe. Durch solche Einbauten wird ein ausreichender Effekt auf die Strömung bei entsprechend verringerten Druckverlusten, gegenüber einer größeren Höhe der Einbauten erzielt.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung dieser Idee sieht es dabei außerdem vor, dass zumindest einer der Einbauten, insbesondere der in Anströmrichtung des Gases erste Einbau in jedem der Strömungskanäle, eine in Strömungsrichtung des Gases veränderliche Höhe aufweist. Ein solcher in der Höhe veränderlicher Einbau, insbesondere des oder der in Anströmrichtung ersten Einbauten, ermöglicht eine verbesserte Strömungsführung, sodass die gewünschte Strömung der Gase, insbesondere eine rotierende Strömung innerhalb des jeweiligen Strömungskanals, noch besser und effizienter, also mit weniger Druckverlusten, erzielt werden kann.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters sieht es nun ferner vor, dass die Einbauten schräg und/oder gekrümmt zur Durchströmungsrichtung in den Strömungskanälen ausgebildet sind. Eine solche Ausbildung schräg zur Strömungsrichtung und/oder gekrümmt ermöglicht eine sehr gezielte Ablenkung der Gasströmung, um beispielsweise die bereits mehrfach angesprochene, besonders bevorzugte rotierende Strömung zu erzielen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Einbau dabei so ausgestaltet, dass er sowohl schräg als auch mit einer entsprechenden Krümmung in den jeweiligen Strömungskanälen verläuft.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters sieht es darüber hinaus vor, dass die Kanalhöhe und die Kanalbreite der Strömungskanäle in etwa gleich ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltung mit in etwa quadratischem Querschnitt der Strömungskanäle ist insbesondere für die bereits mehrfach angesprochene bevorzugte rotierende Strömung der Gase von besonderem Vorteil. Der quadratförmige Querschnitt behindert die rotierende Gasströmung kaum und ist entsprechend einfach und effizient zu fertigen, insbesondere günstiger als es ein Querschnitt mit runden Konturen wäre, insbesondere da bei einem solchen auch die Kontaktfläche zur Membran in unerwünschter Art und Weise reduziert werden würde.
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Die Platten mit den Strömungskanälen des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters können gemäß einer sehr einfachen und günstigen Weiterbildung durch Spritzgießen oder Spritzprägen hergestellt sein, wie es oben bereits erwähnt worden ist.
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Derartige Gas/Gas-Befeuchter können nun insbesondere in Systemen eingesetzt werden, in denen sowohl trockene zu befeuchtende Gase als auch feuchte Abgase vorliegen. Ein solches System kann beispielsweise, wie es eingangs bereits angedeutet worden ist, ein Brennstoffzellensystem sein. Die bevorzugte Verwendung des Gas/Gas-Befeuchters in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen gemäß der Erfindung soll nun zur Befeuchtung eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstroms mittels der Feuchte eines von der Brennstoffzelle abströmenden Gasstroms dienen. Die Brennstoffzelle kann dabei Teil eines Brennstoffzellensystems sein und soll insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ihrer Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einem Gas/Gas-Befeuchter;
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2 einen prinzipmäßigen Ausschnitt aus einem Gas/Gas-Befeuchter in einer Schnittdarstellung;
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3 eine dreidimensionale Ansicht eines Teils eines Strömungskanals in dem erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchter;
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4 eine dreidimensionale Ansicht ähnlich zu der in 3, mit Teilen zur Verdeutlichung der auftretenden Strömung; und
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5 eine Draufsicht auf einen Strömungskanal in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Gas/Gas-Befeuchters.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. Beispielhaft ist innerhalb der Brennstoffzelle 3 ein gemeinsamer Kathodenraum 4, ein gemeinsamer Anodenraum 5 sowie eine PE-Membran 6 dargestellt. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt, nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in der hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsvariante aus dem System. Selbstverständlich können hier weitere Komponenten und Strömungsführungen vorgesehen werden, beispielsweise eine Wasserstoffrezirkulation, welche dem Fachmann jedoch geläufig ist und deshalb hier nicht weiter erläutert werden soll.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 8 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 8 kann beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Die verdichtete Zuluft kann über einen optionalen hier nicht dargestellten Ladeluftkühler strömen. Sie strömt in jedem Fall vor dem Eintritt in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 über einen mit 9 gekennzeichneten Gas/Gas-Befeuchter. Auf dessen Aufbau wird später noch im Detail eingegangen. In der Darstellung der 1 sind lediglich zwei über eine Membran 10, welche für Wasserdampf durchlässig ist, voneinander getrennte Räume zu erkennen. Durch den ersten Raum strömt die verdichtete trockene Zuluft zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Durch den zweiten Raum strömt die mit der Produktfeuchte der Brennstoffzelle 3 beladene Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 und gibt durch die für Wasserdampf durchlässige Membran 10 die Feuchte an die trockene Zuluft ab, um diese zu befeuchten. Die Abluft nach dem Befeuchter 9 strömt typischerweise über einen hier nicht dargestellten Wasserabscheider in eine Abluftturbine 11, welche zusammen mit der Luftfördereinrichtung 8 und einer elektrischen Maschine 12 auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bezeichnet. Die im Bereich der Abluftturbine zurückgewonnene Energie aus der Temperatur und dem Druck der Abluft kann so genutzt werden, um den Antrieb der Luftfördereinrichtung 8 durch die elektrische Maschine 12 zu unterstützen. Falls an der Turbine mehr Energie anfällt als von der Luftfördereinrichtung 8 benötigt wird, dann kann über die elektrische Maschine 12 im generatorischen Betrieb auch elektrische Energie zurückgewonnen werden. Die Abluft könnte alternativ hinten auch ohne Abluftturbine in die Umgebung abströmen.
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Der Befeuchter 9 des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 2 bzw. Fahrzeugs 1 soll nun mit Flachmembranen als Membranen 10 aufgebaut sein. In der Darstellung der 2 ist ein Ausschnitt des Befeuchters 9 in einem schematischen Querschnitt zu erkennen. Dabei sind beispielhaft vier der Membranen 10 dargestellt. Zwischen den Membranen 10 befinden sich jeweils mit 13 bezeichnete Platten. Jeweils zwei der Platten 13 liegen Rücken an Rücken zwischen jeweils zwei der Membranen. Anstelle dieser beiden Rücken an Rücken liegenden Platten 13 wäre auch ein Aufbau aus einer einzigen Platte 13, welche die Konturen der beiden in 1 dargestellten Platten 13 aufweist, möglich. Jede der Platten 13 weist nun mehrere Strömungskanäle 14 auf, von welchen nur einige rein beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen sind. Der in 2 gezeigte Aufbau ist für einen Betrieb im Gleich- oder Gegenstrom konstruiert. Prinzipiell wäre jedoch auch ein Aufbau für einen Betrieb im Kreuzstrom denkbar. Dabei stellt der Gegenstrom den hier typischen Betrieb dar.
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In den Strömungskanälen 14 auf der einen Seite der Membran 10 strömt das zu befeuchtende Gas, welches von der Luftfördereinrichtung 8 zur Brennstoffzelle 3 strömt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 10 strömt in den Strömungskanälen 14 das mit Feuchte beladene Abgas bzw. die Abluft aus der Brennstoffzelle 3. Dabei kommt es zu einem Feuchteaustausch durch die Membranen 10, welche nicht für die Gase bzw. die Luft jedoch für den Wasserdampf durchlässig sind. Um zu verhindern, dass sich in den Strömungskanälen 14 eine laminare Strömung ausbildet, in welcher sich eine unterschiedliche Schichtung der Feuchtegrade zwischen der Membran 10 auf der einen Seite und einer der Membran 10 gegenüberliegenden Wand 15 auf der anderen Seite ausbildet, weisen die Strömungskanäle 14 Einbauten 16 auf, von welchen ebenfalls nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind.
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In der dreidimensionalen Darstellung der 3 ist nun ein Ausschnitt durch einen der Strömungskanäle 14 zu erkennen. Die Membran 10, welche hier nicht dargestellt ist, würde in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel oben auf dem Strömungskanal 14 aufliegen. Die der Membran 10 gegenüberliegende Wand 15 des Strömungskanals 14 ist also in der Darstellung der 3 unten und bildet so praktisch den „Boden” des Strömungskanals 14. Auf dieser Wand 15 sind nun die mit 16 bezeichneten Einbauten angeordnet. Diese mit 16 bezeichneten Einbauten verlaufen schräg und gekrümmt gegenüber der mit F bezeichneten Durchströmungsrichtung des Strömungskanals 14. Sie weisen eine Höhe h auf, welche idealerweise kleiner als ein Drittel der Kanalhöhe H ist, sodass der durch die Einbauten 16 verursachte zusätzliche Druckverlust begrenzt werden kann. Die gekrümmten und schräg zur Strömungsrichtung F verlaufenden Einbauten 16 verändern ihre Höhe h in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, sodass diese Höhe in Strömungsrichtung entsprechend zunimmt. Dies ermöglicht eine leichte Anströmung der Einbauten 16 und stellt der Gasströmung dann durch die Einbauten 16 mit zunehmender Lauflänge einen höheren Widerstand entgegen. Hierdurch wird eine turbulente Strömung in dem Strömungskanal 14 erzielt, im Idealfall eine Strömung, welche sich rotierend ausbildet, so wie es beispielhaft in der Darstellung der 4 angedeutet ist. In diesem Beispiel ist lediglich einer der Einbauten 16 mit konstanter Höhe h über die gesamte Breite des Strömungskanals 14 dargestellt. Das Gas bzw. die Luft strömt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Blickrichtung des Betrachters in den Strömungskanal 14 ein. Zumindest der im unteren Teil des Strömungskanals 14 auf den Einbau 16 treffende Teil der Luft wird sich, wie es durch den mit A bezeichneten Pfeil angedeutet ist, entlang des schräg und gekrümmt von links vorne nach rechts hinten verlaufenden Einbaus 16 bewegen. Er prallt dann gegen die in 4 verdeckte Wand und wird von dieser zurückgeleitet, sodass sich letztlich eine rotierende Strömung, welche durch den zweiten Pfeil 6 angedeutet ist, in dem Strömungskanal 14 einstellt. Durch diese rotierende Strömung wird erreicht, dass eine laminare Schichtung von Feuchtegraden über die Höhe H des Strömungskanals 14 sicher verhindert wird und dass so immer ein möglichst hoher Feuchtegradient zwischen den beiden Oberflächen der Membranen 10 vorliegt.
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In der Darstellung der 5 ist einer der Strömungskanäle 14 beispielhaft in einer Draufsicht über seine gesamte Länge dargestellt. Wie durch den Pfeil F angedeutet, strömt das Gas in der Darstellung der 5 von unten nach oben durch den Strömungskanal 14. In dem von dem Gas zuerst durchströmten Abschnitt des Strömungskanals 14, welcher auch als Einströmabschnitt bezeichnet werden kann und hier mit E gekennzeichnet ist, befinden sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei der Einbauten 16. Diese sorgen in der im Rahmen der 4 beschriebenen Art und Weise für eine rotierende Gasströmung, welche sich, nachdem sie sich im Einströmbereich E ausgebildet hat, über den gesamten mit S bezeichneten Rest der Lauflänge des Strömungskanals 14 hält, sodass durch wenige Einbauten im Einströmbereich E und damit einem entsprechend geringen Druckverlust eine rotierende Strömung über die praktisch gesamte Lauflänge des Strömungskanals 14 mit den entsprechenden Vorteilen hinsichtlich der Feuchteverteilung in dem Strömungskanal 14 aufrecht erhalten werden kann.
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Um für eine solche rotierende Strömung günstige geometrische Bedingungen bereitzustellen, ist der Strömungskanal 14 idealerweise so, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, ausgebildet, und zwar in der Art, dass die Kanalhöhe H und die mit B bezeichnete Kanalbreite sich in etwa entsprechen, sodass der Querschnitt ohne Berücksichtigung der Einbauten 16 in etwa quadratischer Querschnitt ausgebildet ist.
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Über diesen speziellen Aufbau der Strömungskanäle 14 mit den Einbauten 16 lässt sich ein entsprechend hoher Feuchtegradient zwischen den beiden Seiten der Membranen 10 über die gesamte zur Verfügung stehende aktive Fläche der Membranen 10 gewährleisten. Mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Membranfläche und damit des Bauraums des Gas/Gas-Befeuchters 9 lässt sich so eine sehr gute Befeuchtung realisieren.
