DE102014205029A1

DE102014205029A1 - Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines Betriebsmediums sowie Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen

Info

Publication number: DE102014205029A1
Application number: DE102014205029.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Grundei; Oliver Berger; Rune Staeck; Oliver Kleppa
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungseinheit (40) zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums (14) für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen Konditionierungseinheit (40). Die Konditionierungseinheit (40) umfasst: – eine Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung des Betriebsmediums, welche ein erstes Strömungsfeld (52) zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums (14) sowie ein zweites Strömungsfeld (54) zur Durchleitung eines feuchten Gases (15) umfasst sowie wenigstens eine wasserdampfpermeable Membran (56), welche das erste und das zweite Strömungsfeld (52, 54) voneinander trennt, sowie – eine Filtereinrichtung (60) zur Entfernung partikulärer und/oder fluidförmiger Bestandteile aus dem Betriebsmedium (14). Es ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung (60) ein Filtermaterial (61, 62, 63) umfasst, das innerhalb des ersten Strömungsfeldes (52) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Kathoden- oder Anodenbetriebsmediums, sowie eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche Konditionierungseinheit umfasst.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (z. B. Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um Brennstoffzellen mit ihren Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weisen sie eine Betriebsmedienversorgung auf. Diese umfasst einerseits eine Anodengasversorgung, welche den Anoden den Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zuführt, sowie eine Kathodengasversorgung, welche die Kathodenräume der Brennstoffzelle mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, versorgt. Die Betriebsmedien werden üblicherweise in mehrfacher Hinsicht konditioniert, ehe sie der Brennstoffzelle zugeführt werden. Zu diesem Zweck umfassen Betriebsmedienversorgungen insbesondere häufig einen Befeuchter, um die Luftfeuchtigkeit der Betriebsgase zu erhöhen, da viele Polymerelektrolytmembranen von Brennstoffzellen für eine vorschriftsmäßige Funktion feucht gehalten werden müssen. Neben Befeuchtern, die Wasser in das Betriebsmedium eindüsen, sind Membranbefeuchter bekannt, bei denen das zu befeuchtende Betriebsmedium über eine wasserdampfpermeable Membran Luftfeuchtigkeit eines Feuchtgases aufnimmt. Als Feuchtgas wird häufig das Kathoden- oder Anodenabgas verwendet, da diese aufgrund der Brennstoffzellenreaktion eine verhältnismäßig hohe Luftfeuchtigkeit aufweisen.
Weitere Konditionierungsmaßnahmen, welche die Betriebsmedienversorgung vornimmt, umfassen die Befreiung von partikulären Bestandteilen (Filterung), die Verdichtung des gasförmigen Betriebsmediums und die Kühlung bzw. Temperierung.
Alle diese Konditionierungsstufen erhöhen den Bauraumbedarf, das Gewicht und die Komplexität des Systems, was insbesondere bei automobilen Anwendungen der Brennstoffzelle ungünstig ist. Hinzu kommt, dass die verschiedenen Konditionierungskomponenten häufig für andere Anwendungen entwickelt wurden und ohne Optimierung für die Bedürfnisse der automobilen Anwendung angepasst wurden. Da die einzelnen Bauteile strömungstechnisch miteinander verbunden werden müssen, ergeben sich zudem Druckverluste und Druckschwankungen, die sich negativ sowohl auf die Gesamteffizienz des Systems auswirken als auch aufgrund scharfer Umlenkungen oder von abrupten Querschnittsänderungen auf die Akustik. Durch die vielen Einzelkomponenten und die damit verbundene große Oberfläche sind auch die thermischen Verluste relativ groß.
DE 10104246 C1 beschreibt eine Kombination aus einem Befeuchter und einem Kühler für ein Anoden- oder Kathodenbetriebsgas einer Brennstoffzelle.
Aus DE 10 2005 042 407 A1 ist eine mehrstufige Filteranordnung bekannt, die einem Befeuchter für eine Kathoden- oder Anodenzuluft einer Brennstoffzelle vorgeschaltet ist. Dabei kann die Filteranordnung zusammen mit dem Befeuchter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
US 11/245,970 beschreibt eine kompakte Luftkonditionierungseinheit für eine Brennstoffzelle, bei der in einem gemeinsamen Gehäuse ein Luftfilter, ein Kompressor, ein Wärmetauscher sowie ein Befeuchter in dieser Strömungsfolge angeordnet sind.
Die aus DE 10 2004 003 273 A1 bekannte Brennstoffzelle weist ein beispielsweise hohlzylinderförmiges Filterelement auf, das innerhalb der Brennstoffzelle und zwar innerhalb einer axial den Brennstoffzellenstapel durchsetzenden Betriebsmedienhauptleitung angeordnet ist, sodass das Filterelement axial von dem Betriebsgas durchströmt wird. Optional kann das Filterelement eine hygroskopische Ausstattung oder Kapillaren aufweisen, die Kondenswasser aufnehmen und/oder der Befeuchtung des Gases dienen.
DE 10 2004 006 025 B4 beschreibt eine Brennstoffzelle mit interner Befeuchtung in Form einer Wassereindüsung innerhalb einer Betriebsmedienhauptleitung. Ebenfalls in der Hauptleitung sind ein als Partikelfiltermaterial ausgebildetes Verdampfungselement sowie ein Kühler angeordnet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Betriebsmedienversorgung für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche zumindest einige der Probleme des Standes der Technik vermindert.
Diese Aufgabe wird durch eine Konditionierungseinheit sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums für eine Brennstoffzelle umfasst:

– eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des Betriebsmediums, welche ein erstes Strömungsfeld zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums sowie ein zweites Strömungsfeld zur Durchleitung eines feuchten Gases umfasst sowie wenigstens eine wasserdampfpermeable Membran, welche das erste und das zweite Strömungsfeld voneinander trennt, sowie
– eine Filtereinrichtung zur Entfernung partikulärer und/oder fluidförmiger (d. h. gasförmiger oder flüssiger) Bestandteile aus dem Betriebsmedium.

Erfindungsgemäß umfasst die Filtereinrichtung ein Filtermaterial, das innerhalb des ersten Strömungsfeldes der Befeuchtungseinrichtung angeordnet ist.
Durch diese Integration der Filtereinrichtung in das Strömungsfeld des Befeuchters ergeben sich verschiedene Vorteile. Zunächst einmal wird durch die Unterbringung der beiden Komponenten in einem gemeinsamen Modul die Komplexität des Systems, der beanspruchte Bauraum sowie das Gewicht reduziert. Zudem wirkt das Filtermaterial als Strömungsgleichrichter für den Befeuchter. In herkömmlichen Systemen hingegen wird die Filtereinrichtung zumeist stromauf vor dem Verdichter oder anderen Komponenten des Systems angeordnet, sodass der Gleichrichtungseffekt vor Eintritt in den Befeuchter zunichte gemacht wird. Weiterhin dient das in das erste Strömungsfeld integrierte Filtermaterial als zusätzliche Feuchtigkeitsübertragungsfläche für das zu befeuchtende Betriebsmedium. Somit wird auch eine höhere Befeuchtungsrate des Betriebsgases erzielt. Erfindungsgemäß wird ferner die Anordnung des Filtermaterials stromab eines Verdichters ermöglicht, wodurch Druckverluste vor dem Verdichter reduziert und seine Effizienz erhöht wird. Die erfindungsgemäße Konditionierungseinheit stellt somit ein kompaktes Bauteil dar, das gleichzeitig zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit nicht nur der integrierten Komponenten sondern auch der vorgeschalteten Funktionen führt.
Unter Strömungsfeld wird vorliegend ein beliebiger Hohlraum oder ein System von zusammenhängenden oder getrennten Hohlräumen verstanden, durch welcher/s ein Gas durchgeführt werden kann. Dies kann eine einzelne strukturierte oder unstrukturierte Kammer sein oder eine Vielzahl von Kammern. Vorzugsweise umfasst das erste Strömungsfeld eine Vielzahl von Strömungskanälen zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums, insbesondere von voneinander strömungstechnisch getrennten Strömungskanälen. Diese Ausgestaltung ist in heutigen Membranbefeuchtern bereits üblich. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung weisen Strömungskanäle ferner den Vorteil auf, dass sie besonders günstige Anordnungsmöglichkeiten für das Filtermaterial bieten.
Die Filtereinrichtung ist ausgelegt, partikuläre, also feste Bestandteile wie Staub und/oder fluidförmige Bestandteile aus dem Betriebsmedium zu entfernen. Dabei umfassen fluidförmige Bestandteile flüssige insbesondere aber gasförmige Schadstoffe, beispielsweise Schwefeloxide, Stickoxide etc.
Bei dem Filtermaterial handelt es sich vorzugsweise um ein poröses, insbesondere offenporöses Material, das von einem Gas durchströmbar ist. Die Porengröße ist dabei so bemessen, dass partikuläre Bestandteile des Betriebsmediums, beispielsweise der Luft, in den Poren zurückgehalten werden. Das Material kann etwa eine Schaumstruktur oder eine Faserstruktur aufweisen. In stofflicher Hinsicht kommen als Filtermaterial Kunststoffe, keramische Materialien oder metallische Werkstoff in Frage. Zur Entfernung fluidförmiger Schadstoffe ist ein adsorbierendes Material, beispielsweise Aktivkohle geeignet. Insbesondere kann das adsorbierende Material in dem porösen Material integriert sein, sodass die Filtereinrichtung sowohl partikuläre als auch fluidförmige Bestandteile zurückhält.
In einer ersten Ausgestaltung des Filtermaterials füllt dieses einen Strömungsquerschnitt des ersten Strömungsfelds und/oder der ersten Strömungskanäle zumindest abschnittsweise vollständig aus. Dabei bezieht sich der Begriff „abschnittsweise” auf einen Abschnitt in axialer Richtung (Strömungsrichtung). In dieser Ausgestaltung ist das Filtermaterial somit voluminös und volumenfüllend ausgebildet. Auf diese Weise wird ein besonders hohes Filtervolumen und damit eine hohe Filtereffizienz erzielt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist das Filtermaterial eine lagenförmige Gestalt auf und durchsetzt einen Querschnitt des ersten Strömungsfelds und/oder der ersten Strömungskanäle mäandernd, das heißt, es verläuft wechselweise von einer lateralen Wand des Strömungsfelds bzw. Strömungskanals bis zu einer gegenüberliegenden lateralen Wand und so weiter. Dies schließt einen zickzackförmigen, rechteckförmigen oder schlangenförmigen Verlauf ein. Diese Ausgestaltung hat gegenüber der zuvor beschriebenen Ausführung als volumenfüllendes Filtermaterial den Vorteil geringerer Druckverluste. Allerdings weist die Filtereinrichtung in dieser Ausgestaltung eine geringere Partikelfilterkapazität auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Filtermaterials weist dieses ebenfalls eine lagenförmige Gestalt auf und kleidet Seitenwände des ersten Strömungsfelds und/oder der ersten Strömungskanäle zumindest abschnittsweise aus. Diese Ausführung des Filtermaterials zeichnet sich durch einen besonders geringen Druckverlust aus.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Membran eine Vielzahl an Hohlfasermembranen auf. Befeuchter basierend auf Hohlfasermembranen sind bekannt. Sie zeichnen sich durch besonders hohe Membranoberflächen und damit hohe Feuchtigkeitsaustauschraten aus.
Im Falle von Hochfasermembranen besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindung einerseits die Möglichkeit, dass das zu befeuchtende Betriebsmedium durch die Hohlfasern geleitet wird und das zweite Strömungsfeld für das feuchte Gas durch den umgebenden Hohlraum geführt wird. In diesem Fall ist das erfindungsgemäße Filtermaterial innerhalb der Hohlfasermembrane angeordnet. In alternativer und hier bevorzugter Ausführungsform sind die Hohlfasermembranen jedoch zur Durchleitung des feuchten Gases ausgebildet, und das erste Strömungsfeld zur Durchleitung des zu befeuchtenden Betriebsmediums umgibt die Hohlfasermembrane. In diesem Fall ist das Filtermaterial somit in dem die Hohlfasern umgebenden Raum angeordnet, vorzugsweise bettet das Filtermaterial die Hohlfasermembrane ein. In dieser Ausgestaltung füllt das Filtermaterial das erste Strömungsfeld, das heißt die die Hohlfasern umgebenden Räume, zumindest abschnittsweise vollständig aus. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auf ein im Stand der Technik übliches Versteifungsmaterial, welches die Hohlfasern einbettet und fixiert, verzichtet werden kann. Zudem weist in dieser Ausgestaltung das Filtermaterial ein großes Volumen und somit eine hohe Partikelspeicherkapazität auf.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Konditionierungseinheit neben der Befeuchtungs- und der Filtereinrichtung eine Kühlereinrichtung. Auf diese Weise wird die Anzahl der Einzelkomponenten und die Systemkomplexität noch weiter reduziert. Besonders bevorzugt ist die Kühlereinrichtung stromauf der Befeuchtungs- und Filtereinrichtung positioniert, wodurch eine weitere Strömungsgleichrichtung des zu befeuchtenden Betriebsmediums erzielt wird.
Noch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Konditionierungseinheit ferner einen Gasmassenmesser umfasst. Auch diese Ausgestaltung reduziert die Anzahl der für die Konditionierung des Betriebsmediums erforderlichen Einzelkomponenten und die Systemkomplexität.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle sowie einer Betriebsmedienversorgung der Brennstoffzelle. Die Betriebsmedienversorgung umfasst eine Anodengasversorgung sowie eine Kathodengasversorgung, wobei die Anoden- und/oder die Kathodengasversorgung eine Konditionierungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Vorzugsweise weist zumindest die Kathodengasversorgung eine solche Konditionierungseinheit auf.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Kathodengasversorgung gemäß Stand der Technik;
2 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Kathodengasversorgung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Konditionierungseinheit gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
4(a)–(c) verschiedene Ausgestaltungen eines Filtermaterials in einem Strömungskanal einer Befeuchtungseinrichtung;
5 eine Konditionierungseinheit mit Hohlfasermembranen gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, und
6 eine Konditionierungseinheit gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt eine Blockdarstellung einer insgesamt mit 100' bezeichneten Brennstoffzellenanordnung gemäß Stand der Technik. Die Brennstoffzellenanordnung 100' kann insbesondere in einem zumindest teilweise elektromotorisch angeriebenen Fahrzeug angeordnet sein, wo sie die elektrische Energie für einen Elektromotor und/oder für einen Energiespeicher für diesen liefert.
Die Brennstoffzellenanordnung 100' umfasst eine Brennstoffzelle 10, die üblicherweise einen Stapel aus einer Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten umfasst, von denen in 1 nur eine angedeutet ist. Jede dieser Membran-Elektroden-Einheiten weist zwei Elektroden auf, nämlich eine Kathode 11 und eine Anode 12, die durch eine ionenleitende, insbesondere protonenleitende Membran 13 voneinander getrennt sind. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten ist jeweils eine Bipolarplatte (auch Flussfeldplatte genannt, nicht dargestellt) angeordnet, welche einerseits die Kathode 11 mit dem Kathodenbetriebsmedium versorgt und andererseits die Anode 12 mit dem Anodenbetriebsmedium. Das Anodenbetriebsmedium ist ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff. Als Kathodenbetriebsmedium dient ein Oxidationsmittel, bei dem es sich typischerweise um Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, zumeist Luft, handelt. Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle wurde einleitend bereits erläutert und gilt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Zum Zwecke der Versorgung der Kathode 11 und Anode 12 mit den entsprechenden Betriebsmedien umfasst die Brennstoffzellenanordnung 100' eine Betriebsmedienversorgung, von welcher in 1 lediglich die Kathodengasversorgung 20 dargestellt ist. Es versteht sich jedoch, dass die Betriebsmedienversorgung auch eine Anodengasversorgung umfasst. Aufbau und Funktion der Kathodengasversorgung 20 sollen vorliegend am Beispiel von Luft als Kathodenbetriebsmedium erläutert werden.
Die Kathodengasversorgung 20 umfasst eine Kathodenzuführleitung 21, die das Kathodenbetriebsmedium (Luft) 14 aus der Umgebung an die Kathode(n) 11 der Brennstoffzelle 10 liefert. Weiterhin umfasst sie eine Kathodenabführleitung 22, welche das Kathodenabgas (Abluft) 15 und damit zusammen das aus der Brennstoffzellenreaktion anfallende Produktwasser ableitet.
Gemäß dem in 1 dargestellten herkömmlichen Aufbau ist in der Kathodenzuführleitung 21 zunächst ein als Luftfilter 23 ausgebildeter Partikelfilter angeordnet, der partikuläre Bestandteile aus der Luft zurückhält. Nach Erfassung des Luftmassenstroms durch einen Luftmassensensor 24 erfolgt eine Verdichtung der Luft mittels eines Gebläses oder Verdichters 25, der durch einen Elektromotor 26 angetrieben wird. Stromab des Verdichters 25 ist ein erster Durchflussregler 27 in der Kathodenzuführleitung 21 installiert, mit welchem ein gewünschter Luftmassenfluss regelbar ist. Anschließend erfolgt in einem Luftkühler 28 eine Temperierung, insbesondere Kühlung, der durch den Verdichter 25 erwärmten Luft. Stromab des Luftkühlers 28 ist ein Befeuchter 29 angeordnet, der einerseits von dem zu befeuchtenden Luftstrom 14 und andererseits auch von dem Kathodenabgas 15 über die Kathodenabführleitung 22 durchströmt wird. Der Befeuchter 29 weist eine wasserdampfpermeable Membran auf, über die eine Wasserübertragung von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (der Abluft 15) zum vergleichsweise trockenem Kathodenbetriebsgas (der Luft 14) erfolgt. Zur Regelung der Luftfeuchtigkeit auf ein gewünschtes Maß ist der Befeuchter 29 über eine Befeuchter-Bypassleitung 30 umgehbar, wobei mittels eines zweiten Durchflussreglers 31 der Anteil des über die Bypassleitung 30 geführten Gasstroms einstellbar ist. Ein stromab des Befeuchters 29 in der Leitung 21 angeordneter Drucksensor 32 dient im Zusammenspiel mit dem Durchflussreglern 27 und 31 der Regelung des Systemdrucks in der Brennstoffzelle 10.
Wie bereits erwähnt, verbindet die Kathodenabführleitung 22 die Kathode 11 mit dem Befeuchter 29 und führt weiter zu einem Druckregler 33. Nach Durchströmen eines Abgasschalldämpfers 34 wird das Kathodenabgas 15 beispielsweise in die Umgebung entlassen.
Die Kathodengasversorgung 20 weist ferner eine Brennstoffzellen-Bypassleitung 35 auf, welche die Kathodenzuführleitung 21 mit der -abführleitung 22 verbindet und einen dritten Durchflussregler 36 sowie einen Luftmassensensor 37 aufweist. Der Bypassleitung 35 kommt die Funktion eines Wastegates zu, welches im unteren Lastbereich und im transienten Betrieb verhindert, dass der Verdichter 25 außerhalb seines Kennfeldes, d. h. oberhalb seiner Pumpgrenze, betrieben wird.
Durch die zahlreichen Einzelkomponenten der Kathodengasversorgung 20, die der Konditionierung der Kathodenluft 14 dienen, ist das System sehr komplex, mit einem hohen Gewicht und Bauraumvolumen verbunden und erfordert zahlreiche fluidführende Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten. Dies verursacht zudem Druckverluste und eine geringe Effizienz einzelner Komponenten.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 100 mit einer verbesserten Kathodengasversorgung 20 stellt 2 da, wobei übereinstimmende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht noch einmal erläutert werden.
Die erfindungsgemäße Kathodengasversorgung 20 in 2 zeichnet sich insbesondere durch eine insgesamt mit 40 bezeichnete Konditionierungseinheit aus, welche zumindest die Komponenten Befeuchtungseinrichtung 50 sowie Filtereinrichtung 60 in noch zu erläuternder integrierter Bauweise umfasst. Optional kann die erfindungsgemäße Konditionierungseinheit 40, wie hier angedeutet, ferner eine Kühleinrichtung 70 sowie einen Gasmassenmesser (Luftmassenmesser) 80 umfassen. Abhängig von der Ausgestaltung der Filtereinrichtung 60 der Konditionierungseinheit 40 kann ein Vorfilter 38 in der Kathodenzuführleitung 21 angeordnet sein, der eine Grobfilterung der Luft 14 vornimmt. Im Falle der Nutzung der Brennstoffzelle für eine automotorische Anwendung handelt es sich bei dem Vorfilter 38 vorzugsweise um einen Luftfilter, wie er für Verbrennungsmotoren üblich ist.
Einzelheiten der erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit 40 gemäß verschiedenen Ausführungen sind in den nachfolgenden 3 bis 6 dargestellt.
3 zeigt stark schematisiert einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit 40, die einerseits eine Befeuchtungseinrichtung 50 und andererseits eine Filtereinrichtung 60 umfasst. Die Befeuchtungseinrichtung 50 weist zwei Flussplatten 51 auf, wobei in der ersten hier rechts dargestellten Flussplatte 51 ein erstes Strömungsfeld 52 ausgebildet ist, das in diesem Beispiel eine Vielzahl erster Strömungskanäle 53 umfasst. Desgleichen ist in der zweiten, hier links dargestellten Flussplatte 51 ein zweites Strömungsfeld 54 ausgebildet, welches seinerseits eine Vielzahl zweiter Strömungskanäle 55 aufweist. Zwischen den beiden Flussplatten 51 ist eine wasserdampfpermeable Membran 56 angeordnet, welche das erste und das zweite Strömungsfeld 52, 54 voneinander trennt. Die wasserdampfpermeable Membran 56 wird beidseitig von zwei Gasdiffusionsschichten 57 kontaktiert, welche der homogenen Gasverteilung sowie der mechanischen Abstützung der Membran 56 dienen. Wasserdampfpermeable Membranen sind hinlänglich bekannt. Insbesondere können hier die gleichen Membranmaterialien dienen, die auch in der Brennstoffzelle 10 Einsatz finden.
Erfindungsgemäß ist in den Strömungskanälen 53 des ersten Strömungsfelds 52 ein in 3 nicht dargestelltes Filtermaterial der Filtereinrichtung 60 integriert angeordnet.
Im Betrieb der Konditionierungseinheit 40 wird nun die zu befeuchtende Luft 14 durch die Strömungskanäle 53 des ersten Strömungsfelds 52 geleitet. Auf der anderen Seite wird die Kathodenabluft 15 durch die Strömungskanäle 55 des zweiten Strömungsfelds 54 geleitet. Alternativ zu der in 3 dargestellten Gleichstromführung der Gasströme 14 und 15 ist auch eine Gegenstromführung oder Querstromführung möglich. Da die Kathodenabluft 15 eine aufgrund der Brennstoffzellenreaktion vergleichsweise hohe Feuchtigkeit aufweist, diffundiert das gas- oder dampfförmige Wasser durch die Membran 56 auf die Seite des ersten Strömungsfelds 52 und wird von der vergleichsweise trockenen Luft 14 aufgenommen, welche auf diese Weise befeuchtet wird. Gleichzeitig werden partikuläre und/oder fluidförmige Bestandteile der Luft 14 durch das in den Strömungskanälen 53 angeordnete Filtermaterial der Filtereinrichtung 60 zurückgehalten. Somit findet in einem einzigen Bauteil sowohl eine Befeuchtung als auch eine Filterung/Reinigung der Kathodenluft 14 statt.
In den 4(a) bis (c) sind drei verschiedene Ausgestaltungen des in einen Strömungskanal 53 integrierten Filtermaterials 61, 62, 63 in einer Querschnittansicht längs des Kanals 53 gezeigt. In den dargestellten Beispielen wird der Strömungskanal 53 auf zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten durch die wasserdampfpermeable Membran 56 eingeschlossen. Möglich ist aber auch, dass der Strömungskanal 53, wie in 3 gezeigt, nur einseitig von einer solchen Membran begrenzt wird oder einen runden Strömungsquerschnitt aufweist, d. h. die Membran 56 als Hohlfasermembran ausgebildet ist.
In dem in 4(a) gezeigten Beispiel ist das Filtermaterial 61 volumenfüllend ausgebildet, das heißt, es füllt den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 53 vollständig aus. In dieser Ausgestaltung kommen als Filtermaterial 61 vorzugsweise schaumartige, offenporige Strukturen zum Einsatz. Dabei kann die Herstellung etwa dadurch erfolgen, dass das Material, z. B. aus einem Kunststoff erst innerhalb des Kanals 53 aufgeschäumt wird.
Gemäß dem in 4(b) gezeigten Ausführungsbeispiel weist das hier mit 62 bezeichnete Filtermaterial eine lagenförmige Gestalt auf. Beispielsweise handelt es sich um ein Vliesmaterial, also eine Faserstruktur, oder wiederum um ein offenporiges Schaummaterial. Das Filtermaterial 62 durchsetzt den Querschnitt des Strömungskanals 53 in mäandernder Weise, hier mit einem rechteckförmigen Längsprofil. Andere Verläufe, beispielsweise zickzackförmige oder schlangenförmige Verläufe des Filtermaterials 62 sind ebenfalls denkbar. Der eintretende Luftstrom 14 ist gezwungen, das Filtermaterial 62 mehrfach zu durchdringen. Dabei werden partikuläre Bestandteile sowie fluidförmige, insbesondere gasförmige Schadstoffe der Luft 14 im Filtermaterial 62 zurückgehalten.
In der in 4(c) gezeigten Ausführung ist das hier mit 63 bezeichnete Filtermaterial ebenfalls lagenförmig ausgebildet. Jedoch kleidet es hier die Seitenwände des Strömungskanals 53 aus. Dabei ist es unerheblich, ob wie hier die Seitenwände durch die Membran 56 ausgebildet werden oder etwa durch eine Flussplatte, wie in 3 gezeigt. Bei der in der 4(c) gezeigten Ausführung ist der Luftstrom 14 nicht gezwungen, das Filtermaterial 63 zu durchströmen. Vielmehr strömt es lateral an diesen vorbei, wobei partikuläre Bestandteile und/oder fluidförmige/gasförmige Schadstoffe auf/in dem Filtermaterial 63 abgelagert werden.
5 stellt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Konditionierungseinheit 40 da. Dabei zeigt der obere Teil der Abbildung eine perspektivische Ansicht der Konditionierungseinheit 40 und der untere Teil eine stark schematisierte Detailansicht in Strömungsrichtung des Kathodenabgases 15. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die wasserdampfpermeable Membran 56 durch eine Vielzahl von Hohlfasermembranen 58 ausgebildet. Dabei sind die Hohlfasermembranen 58 in das Filtermaterial 61 eingebettet. Das Filtermaterial 61 füllt somit den umgebenden Raum der Hohlfasermembranen 58 im Wesentlichen vollständig aus. In dem dargestellten Beispiel wird das feuchte Kathodenabgas 15 durch die durch die Hohlfasermembranen 58 ausgebildeten zweiten Strömungskanäle 55 geführt. Das zu befeuchtende Kathodenbetriebsmedium, die Luft 14, wird hingegen im Querstrom bezüglich einer Längserstreckung der Hohlfasermembranen 58 geführt. Somit stellt der die Hohlfasermembranen 58 umgebende Raum das erste Strömungsfeld 52 für das zu befeuchtende Betriebsmedium 14 dar. Beim Durchströmen der Konditioniereinheit 40 durch die Kathodenluft 14 wird diese somit einerseits von partikulären Bestandteilen und Schadstoffen durch das Filtermaterial 61 befreit und andererseits über die Hohlfasermembranen 58 befeuchtet.
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit 40. Diese weist ein Gehäuse 41 auf, das einen zentralen Abschnitt mit einem ersten, großen Durchmesser und zwei Endabschnitte mit einem zweiten, geringeren Durchmesser aufweist. Der zentrale Abschnitt ist mit den Endabschnitten über konische Verbindungsabschnitte verbunden. Dabei beträgt ein Anstellwinkel der konischen Verbindungsabschnitte gegenüber den übrigen Abschnitten vorzugsweise höchstens 7°. Weiterhin ist bevorzugt, dass ein Übergang zwischen den geraden Abschnitten und den Verbindungsabschnitten jeweils einen abgerundeten Verlauf aufweist.
In dem Gehäuse 41 ist eine kombinierte Befeuchtungs- und Filtereinrichtung 50, 60 gemäß einer der vorstehenden Ausführungen angeordnet. Vorzugsweise kommen hier Hohlfasermembranen in Betracht, die von einem Filtermaterial, ähnlich wie in 4(a) dargestellt, ausgeführt werden. Der in 6 nicht dargestellte Abluftstrom kann als Kreuzstrom über den Befeuchter 50, 60 geführt werden, z. B. in der Darstellung von oben nach unten. Alternativ kann der Abluftstrom im Gegenstrom zum Luftstrom 14 geführt werden und zu diesem Zweck beispielsweise von rechts oben in den Befeuchter eintreten und links unten aus diesem austreten. Stromauf der Befeuchtungs- und Filtereinrichtung 50, 60 ist ein Vorfilter 38 angeordnet, der eine Grobfilterung des Luftstroms 14 vornimmt. Alternativ kann statt des oder zusätzlich zu dem Vorfilter 38 ein Luftfilter 23 hinter der Einrichtung 50, 60 angeordnet sein. Stromab des Vorfilters 38 ist ferner eine Kühleinrichtung 70 in dem Gehäuse 41 angeordnet, durch welche die Luft 14 gekühlt wird, ehe sie in die Befeuchtungs- und Filtereinrichtung 50, 60 eintritt. Ferner umfasst die in 6 gezeigte Konditionierungseinrichtung 40 einen Gasmassen- beziehungsweise Luftmassensensor 80, der alternativ stromab der Befeuchtungs- und Filtereinrichtung 50, 60 angeordnet sein kann. Die Konditionierungseinrichtung 40 gemäß 6 vereint somit die Funktionen Befeuchtung, Filterung, Kühlung sowie Gasmassenmessung. Auf diese Weise wird ein besonders hoher Integrationsgrad von Konditionierungsfunktionen in einem einzigen Modul erzielt. Die unmittelbare Vorschaltung des Vorfilters 38 sowie der Kühleinrichtung 70 vor dem Befeuchter 50 führt zudem zu einer besonders starken Homogenisierung des Strömungsbildes, wodurch eine bessere Feuchtigkeitsübertragung und auch eine bessere Filterung erzielt wird.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenanordnung
100': Brennstoffzellenanordnung gemäß Stand der Technik
10: Brennstoffzelle
11: Kathode
12: Anode
13: Membran
14: Kathodenbetriebsgas/Luft
15: Kathodenabgas/Abluft
20: Kathodengasversorgung
21: Kathodenzuführleitung
22: Kathodenabführleitung
23: Luftfilter
24: Luftmassensensor
25: Verdichter/Gebläse
26: Elektromotor
27: erster Durchflussregler
28: Luftkühler
29: Befeuchter
30: Befeuchter-Bypassleitung
31: zweiter Durchflussregler
32: Drucksensor
33: Druckregler
34: Schalldämpfer
35: Brennstoffzellen-Bypassleitung
36: dritter Durchflussregler
37: Luftmassensensor
38: Vorfilter
40: Konditionierungseinheit
41: Gehäuse
42: Trichter
50: Befeuchtungseinrichtung
51: Flussplatte
52: erstes Strömungsfeld
53: erster Strömungskanal
54: zweites Strömungsfeld
55: zweiter Strömungskanal
56: wasserdampfpermeable Membran
57: Gasdiffusionsschicht
58: Hohlfasermembran
60: Filtereinrichtung
61: Filtermaterial
62: Filtermaterial
63: Filtermaterial
70: Kühleinrichtung
80: Gasmassenmesser/Luftmassenmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10104246 C1 [0007]
DE 102005042407 A1 [0008]
US 11/245970 [0009]
DE 102004003273 A1 [0010]
DE 102004006025 B4 [0011]

Claims

Konditionierungseinheit (40) zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums (14) für eine Brennstoffzelle (10), wobei die Konditionierungseinheit (40) umfasst: – eine Befeuchtungseinrichtung (50) zur Befeuchtung des Betriebsmediums, welche ein erstes Strömungsfeld (52) zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums (14) sowie ein zweites Strömungsfeld (54) zur Durchleitung eines feuchten Gases (15) umfasst sowie wenigstens eine wasserdampfpermeable Membran (56), welche das erste und das zweite Strömungsfeld (52, 54) voneinander trennt, sowie – eine Filtereinrichtung (60) zur Entfernung partikulärer und/oder fluidförmiger Bestandteile aus dem Betriebsmedium (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (60) ein Filtermaterial (61, 62, 63) umfasst, das innerhalb des ersten Strömungsfelds (52) der Befeuchtungseinrichtung (50) angeordnet ist.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strömungsfeld (52) eine Vielzahl Strömungskanäle (53) zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums (14) umfasst.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (61) einen Strömungsquerschnitt des ersten Strömungsfelds (52) und/oder der ersten Strömungskanäle (53) zumindest abschnittsweise vollständig ausfüllt.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (62) eine lagenförmige Gestalt aufweist und einen Querschnitt des ersten Strömungsfelds (52) und/oder der ersten Strömungskanäle (53) mäandernd durchsetzt.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermaterial (63) eine lagenförmige Gestalt aufweist und Seitenwände des ersten Strömungsfelds (52) und/oder der ersten Strömungskanäle (53) zumindest abschnittsweise auskleidet.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (56) eine Vielzahl an Hohlfasermembranen (58) umfasst.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasermembranen (58) zur Durchleitung des feuchten Gases (14) ausgebildet sind und das erste Strömungsfeld (52) zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums (14) die Hohlfasermembranen (58) umgibt, wobei das Filtermaterial (61) die Hohlfasermembranen (58) einbettet.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinheit (40) ferner eine Kühleinrichtung (70) umfasst.
Konditionierungseinheit (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungseinheit (40) ferner einen Gasmassenmesser (80) umfasst.
Brennstoffzellenanordnung (100) mit einer Brennstoffzelle (10) sowie einer Betriebsmedienversorgung der Brennstoffzelle (10), umfassend eine Anodengasversorgung und eine Kathodengasversorgung (20), wobei die Anodengasversorgung und/oder die Kathodengasversorgung (20) eine Konditionierungseinheit (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.