DE102015122144A1 - Befeuchter mit integriertem Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen - Google Patents

Abstract

Um einen Befeuchter (37) mit integriertem Wasserabscheider, insbesondere für Brennstoffzellen (11), eine wasserdampfdurchlässige Membran (38) sowie Abscheiderelemente (48, 49) zum Abscheiden von Wasser aufweisend, wobei die Membran (38) auf einer ersten Seite (40) mit einem ersten Kanal (41) für einen ersten feuchten Gasstrom und auf der zweiten Seite (42) mit einem zweiten Kanal (43) für einen zweiten, zu befeuchtenden trockenen Gasstrom in Kontakt steht, bereitzustellen, der einen optimierten Feuchtigkeitsaustausch zwischen Abgas- und Betriebsmittelströmen einer Brennstoffzelle ermöglicht, wird vorgeschlagen, eine Vielzahl von separaten Abscheiderelementen (48, 49) auf der ersten Seite (40) der Membran (38) anzuordnen. Es wird zudem ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug vorgenannten Befeuchter aufweisend bereitgestellt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Befeuchter zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere für Brennstoffzellen, eine wasserdampfdurchlässige Membran sowie Abscheiderelemente zum Abscheiden von Wasser aufweisend, wobei die Membran auf einer ersten Seite mit einem ersten Kanal für einen ersten feuchten Gasstrom und auf der zweiten Seite mit einem zweiten Kanal für einen zweiten, zu befeuchtenden trockenen Gasstrom in Kontakt steht, ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchter sowie ein Fahrzeug, das einen solchen Befeuchter beziehungsweise ein solches Brennstoffzellensystem aufweist.
• 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 Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. 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 MEA 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 (Anodenbetriebsmedium), 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 (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). 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 (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
• Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolyt-membranen (PEM), bei denen die Membran aus einem befeuchteten Polyelektrolyt (zum Beispiel Nafion^®) gebildet wird und die wassergebundene elektrolytische Leitung über hydratisierte Protonen stattfindet. Derartige Polymerelektrolytmembranen sind zur Protonenleitung auf das Vorhandensein von Wasser angewiesen. Unterhalb einer gewissen Temperatur kann hierfür das kathodisch gebildete Produktwasser als Feuchtigkeitsquelle zur Befeuchtung der Membran noch ausreichend sein. Bei höheren Temperaturen hingegen wird jedoch zunehmend Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel mit dem Kathodenabgas ausgetragen. Um hier einer Austrocknung der Brennstoffzellen-Membran entgegenzuwirken, muss der Feuchtigkeitsaustrag durch aktive Zuführung von Wasser kompensiert werden.
• So ist es bekannt, externe Befeuchtungseinrichtungen (Befeuchter) einzusetzen, um das der Brennstoffzelle zuzuführende Prozessgas, zumeist die den Kathodenräumen zuzuführende Luft, zu befeuchten. Dabei wird insbesondere ein Teil der aus dem Stapel mit der Abluft der Kathodenräume ausgetragenen Feuchtigkeit rückgeführt.
• Der Anoden-/Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems kann ferner eine Turbine aufweisen, um durch Entspannung der Abgase Energie zu gewinnen, beispielsweise für den Antrieb eines Verdichters im Anoden-/Kathodenversorgungspfad. Durch im Abgas enthaltenes flüssiges Wasser beziehungsweise Kondensatbildung kann diese Turbine beschädigt werden. Daher ist die Turbine üblicherweise in der Abgasleitung stromabwärts von dem Befeuchter und gegebenenfalls von zusätzlichen Wasserabscheidern angeordnet. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Relativanordnungen von Befeuchter und Wasserabscheidern bekannt.
• Die DE 10 2012 018 863 A1 offenbart eine Gas/Gas-Befeuchtungseinrichtung, die von einem zu einer Brennstoffzelle strömenden Betriebsmittelstrom und von einem von der Brennstoffzelle abströmenden Abgasstrom durchströmt werden, die im Inneren der Befeuchtungseinrichtung von einer wasserdampfdurchlässigen Membran getrennt sind. Die Gas/Gas-Befeuchtungseinrichtung weist ferner einen integrierten Wasserabscheider auf, der in Strömungsrichtung der feuchten Abgase nach den Membranen integriert ist.
• Eine ähnlich ausgestalteter Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem wird in der DE 10 2013 003 599 A1 offenbart, wobei hier ein Prallschutz verhindert, dass in den Befeuchter eintretendes feuchtes Gas nicht direkt auf die Membranen trifft und diese durch flüssiges Wasser zusetzt.
• DE 10 2012 014 611 A1 beschreibt einen Abscheider für ein Brennstoffzellensystem, der von einer hydrophilen Membran Gebrauch macht, durch die flüssiges Wasser hindurchtreten kann und somit von einem Gasstrom abtrennbar ist.
• Vorgenannte Befeuchter mit stromab angeordneten Abscheidern haben den Nachteil, dass nicht zuverlässig eine gleichmäßig befeuchtete Membran des Befeuchters gewährleistet werden kann.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, der die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet und einen optimierten Feuchtigkeitsaustausch zwischen Abgas- und Betriebsmittelströmen einer Brennstoffzelle ermöglicht.
• Es wird erfindungsgemäß ein Befeuchter zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere für Brennstoffzellen bereitgestellt, der eine wasserdampfdurchlässige Membran sowie Abscheiderelemente zum Abscheiden von Wasser (Wasserdampf) aufweisend, wobei die Membran auf einer ersten Seite mit einem ersten Kanal für einen ersten wasserdampfhaltigen und daher feuchten Gasstrom und auf der zweiten Seite mit einem zweiten Kanal für einen zweiten, zu befeuchtenden trockenen Gasstrom in Kontakt steht, wobei eine Vielzahl von separaten Abscheiderelementen auf der ersten Seite der Membran angeordnet ist.
• So kann vorteilhafterweise, beispielsweise bei einem Brennstoffstapel beziehungsweise Brennstoffzellensystem ein Teil der Feuchte der Abluft, die aus dem Brennstoffzellenstapel kommt, an die trockene Zuluft für den Brennstoffzellenstapel übertragen werden, sodass die Leistungsdichte und die Lebensdauer der Brennstoffzellen beim Betrieb unter hohen Temperaturen steigen. Neben der genannten Steigerung der Leistungsdichte und die Lebensdauer der Brennstoffzellen ist das Abscheiden von Wasser oftmals notwendig, da bei Brennstoffzellensystemen die Abluft durch eine Turbine geführt wird, um Restenergie aus der Abluft zurückzugewinnen, beispielsweise thermische Energie und Druckenergie, wobei Wassertröpfchen diese beschädigen würden.
• Zudem wird durch die Integration eines Wasserabscheiders in den Befeuchter erreicht, dass gegebenenfalls lediglich ein weiterer dem Befeuchter nachgeordneter Wasserabscheider benötigt wird.
• Geeignete hydrophile Membranen zur Verwendung im erfindungsgemäßen Befeuchter sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Membran Nafion aufweisen oder aus Nafion bestehen.
• Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Befeuchter um einen Plattenbefeuchter, der eine plane Membran ausweist, wobei die genannten Strukturen aus erstem, zweiten Kanal, Membran und Abscheiderelementen sich wiederholend ausgebildet sein können, um einen Befeuchterstapel zu erhalten, der durch Vergrößerung der Membranfläche vorteilhafterweise an die jeweiligen gegebenen Bedingungen verschiedener Brennstoffzellensysteme angepasst werden kann.
• Die Abscheiderelemente werden vorzugsweise über die Fläche der Membran verteilt angeordnet, um über die gesamte Fläche Wasser abzuscheiden, das die Membran befeuchtet, sodass vorteilhafterweise ein erhöhter Wirkungsgrad des Befeuchters erzielt wird, ohne jedoch die Geschwindigkeit des Gasstroms zu mindern, was zu unerwünschten Druckschwankungen führen würde.
• Die Abscheiderelemente werden vorzugsweise von einer Vielzahl von Strömungsstegen angrenzend zur Membran fixiert, die zudem den Gasstrom gezielt über die Membran leiten, um einen optimalen Feuchteaustausch zwischen den beiden Gasströmen herbeizuführen. Zudem können die Strömungsstege vorteilhafterweise zusätzlich als Abscheiderelemente dienen.
• Auch die Abscheiderelemente dienen vorteilhafterweise zur Stützung beziehungsweise Stabilisierung der Membran.
• Entsprechende Strömungsstege können auch auf der zweiten Seite der Membran vorgesehen sein, um den zu befeuchtenden Gasstrom zu lenken.
• Die Strömungsstege verlaufen vorzugsweise gradlinig, jedoch sind auch bevorzugte Ausführungsformen der Strömungsstege vorgesehen, bei denen die Strömungsstege nicht gradlinig geführt werden, beispielsweise wenn die Strömungsstege ebenfalls zumindest teilweise als Abscheiderelemente dienen sollen.
• Die Abscheiderelemente weisen vorzugsweise eine Höhe auf, die der des ersten Kanals entspricht. Hingegen können die Strömungsstege ebenfalls diese Höhe aufweisen und aber auch eine geringere Höhe, da auch bei einer geringeren Höhe die Lenkung des Gasstroms erfolgt. Sind die Strömungsstege auch, zumindest teilweise als Abscheiderelement ausgelegt, ist eine Höhe entsprechend der Höhe des ersten Kanals bevorzugt.
• Die Abscheiderelemente und gegebenenfalls auch die Strömungsstege sind vorzugsweise zumindest zum Teil derart ausgebildet, dass diese ein Flüssigkeitsvolumen mit der Membran in Kontakt stehend aufnehmen können, sodass vorteilhafterweise stets ausreichend Wasser zur Befeuchtung zur Verfügung steht, auch wenn in bestimmten Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems weniger Wasser in der Abluft anfällt.
• Zur Ausbildung derartiger Abscheiderelemente müssen diese in Relation zur Schwerkraft über eine Vertiefung verfügen, die das Wasser aufnehmen kann. Diese Vertiefung ist zur Membran und vorzugsweise zur Wandung eines Kanals offen ausgeführt.
• Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Befeuchter einen Auffangbehälter zum Sammeln von dem abgeschiedenen Wasser, das an der Membran herabfließt, ohne diese zu durchdringen. Dieser Auffangbehälter ist im Bereich der Membran angeordnet und ist zudem mit dem ersten Kanal verbunden. Da dieser Auffangbehälter nicht alles bei bestimmten Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems anfallende Wasser aufnehmen kann, weist dieser vorzugsweise eine Ablauföffnung, die als ein Überlauf und/oder als steuerbares Ablaufventil ausgebildet sein kann, auf.
• Im Bereich des Auffangbehälters ist es ausreichend, dass die Abscheiderelemente lediglich zur Abscheidung dienen und nicht zusätzlich zur Aufnahme eines Flüssigkeitsvolumens.
• Dieser Auffangbehälter dient zudem als Reservoir für das Wasser für Betriebszustände, in denen mehr Wasser benötigt wird. Dazu ist die Membran vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese mittelbar oder unmittelbar in den Ausfangbehälter hineinreicht, um Wasser zu ziehen.
• Wie bereits ausgeführt, können die Abscheiderelemente und gegebenenfalls auch die Strömungsstege derart ausgebildet sein, dass diese ein Flüssigkeitsvolumen mit der Membran in Kontakt stehend aufnehmen können Bei dieser Ausführungsform können die benachbart zum Auffangbehälter befindlichen Abscheiderelemente und gegebenenfalls die Strömungsstege als reine Abscheideelemente ausgeführt sein.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform können die Abscheiderelemente und/oder die Strömungsstege aus einem porösen Material bestehen, sodass hierüber Wasser in Nachbarschaft zur Membran gespeichert und bei Bedarf abgegeben werden kann.
• Zudem kann es vorgesehen sein, dass die Membran auf der ersten Seite teilweise mit einer porösen Beschichtung versehen ist und erst nachdem diese Beschichtung vom feuchten Gas überströmt wurde, können vorzugsweise noch Abscheiderelemente eingesetzt werden. Die Beschichtung ragt vorzugsweise in einen Auffangbehälter für das von den Abscheiderelementen abgeschiedene Wasser hinein, sodass über eine Art Dochteffekt über die Beschichtung das abgeschiedene Wasser der gesamten Membran zugeführt wird.
• Der Befeuchter kann derart ausgebildet sein, dass der erste Gasstrom und der zweite Gasstrom, im Kreuzstrom, im Gegenstrom oder im Gleichstrom geführt werden. Demensprechend sind genannte Strömungsstege auszulegen.
• Es wird zudem erfindungsgemäß ein Brennstoffzellensystem beansprucht, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel und mit einem Anodenabgaspfad zum Abführen eines Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel, eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel und mit einem Kathodenabgaspfad zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel besitzt, wobei der Befeuchter in der Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung angeordnet ist.
• Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Befeuchter oder Brennstoffzellensystem.
• Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
• 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 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit Befeuchter,
• 2 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen und linearen Strömungskanälen,
• 3 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen und linearen Strömungskanälen nach einer zweiten Ausführungsform,
• 4 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen, die zur Aufnahme eines Flüssigkeitsvolumens ausgestaltet sind, und linearen Strömungskanälen,
• 5 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen, die zur Aufnahme eines Flüssigkeitsvolumens ausgestaltet sind, und linearen Strömungskanälen nach einer zweiten Ausführungsform,
• 6 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen, die zur Aufnahme eines Flüssigkeitsvolumens ausgestaltet sind, und wellenförmigen Strömungskanälen, und
• 7 in einer schematischen, geschnittenen Ansicht einen erfindungsgemäßen Befeuchter mit Abscheiderelementen und einem porösen Abscheiderelement, das zur Aufnahme von einem Flüssigkeitsvolumen ausgebildet ist.
• 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
• Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
• Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
• Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist beispielhaft ein Verdichter 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
• Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
• Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden
• Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen erfindungsgemäßen Befeuchter 37 auf. Der Befeuchter 37 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 37 weist eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen 38 auf, die flächig ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen 38 von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
• Der dem Befeuchter 37 nachgeordnete Teil des Kathodenabgaspfads weist vor der Turbine 36 zudem einen Wasserabscheider 38 auf, der die Turbine vor Beschädigungen durch auch noch nach Durchströmen des Befeuchters 37 im Kathodenabgas mitgeführten Wasserdampf verhindert.
• Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann auch in dem Anodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. Auch kann die Kathodenversorgung 30 eine Wastegate-Leitung aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt.
• Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
• Die in den 2 bis 7 dargestellten Ausführungsformen des Befeuchters 37 sind für eine bessere Übersicht stark vereinfacht und perspektivisch nicht korrekt dargestellt. In der Bildebene befindet sich stets die Membran 38, die auf einer ersten Seite 40 an einen ersten Kanal 41 mit einem ersten feuchten Gasstrom (wie zu 1 erläutert das Kathodenabgas) und auf einer zweiten Seite 42 an einen zweiten Kanal 43 mit einem zweiten, zu befeuchtenden Gasstrom (Kathodenbetriebsgas) angrenzt. Bei der Aufsicht auf die Membran in den 2 bis 7 ist also die erste Seite 40 zu sehen, über die der erste, feuchte Gasstrom im Kanal 41 strömt. Das abgeschiedene Wasser, symbolisiert durch einen Pfeil 44, führt in Richtung der Schwerkraft g über die Membran 38 geleitet. Dier Membran 38 und erster und zweiter Kanal 41, 43 sind in einem Rahmen 45 fixiert, der Teil eines nicht dargestellten Gehäuses ist. Der Rahmen 45 umfasst zudem einen Auffangbehälter 46 für flüssiges Wasser, das im Bereich der Membran 38 abgeschieden wurde und, wie durch den Pfeil 44 angedeutet, der Schwerkraft g folgend an das untere Ende der Membran 38 gelangt, wo der Auffangbehälter 46 angeordnet ist und in diesen hineingeleitet wird. Durch diese Ausgestaltung des Befeuchters 37 kann über im Auffangbehälter 46 befindliches Wasser eine Befeuchtung der Membran 38 auch dann stattfinden, wenn in entsprechenden Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 100 nur ein geringer Feuchtegehalt des ersten Gasstrom gegeben ist, indem die Membran 38 über einen Dochteffekt das Wasser aus dem Auffangbehälter entgegen der Schwerkraft g in trockene Bereiche der Membran 38 fördert. Der Auffangbehälter kann einen hier nicht dargestellten Überlauf, ein Ablassventil oder dergleichen verfügen, um überschüssiges Wasser abzuleiten.
• Auf der ersten Seite 40 der Membran 38, auf der der feuchte Gasstrom entlanggeführt wird, sind lineare Strömungsstege 47 parallel zueinander angeordnet, die den Gasstrom über die gesamte Fläche der Membran 38 leiten und die Membran 38 stützen, wie in den 2 bis 5 und 7 ersichtlich. Die Strömungsstege 47 weisen vorzugsweise eine geringere Höhe wie der erste Kanal 41 mit dem feuchten Gasstrom auf, sodass flüssiges Wasser leicht zum Auffangbehälter 46 gelangen kann. An den Strömungsstegen 47 sind, wie in 2, 3, 7 dargestellt Abscheiderelemente 48 angeordnet, an denen das im feuchten Gasstrom mitgeführte Wasser abgeschieden wird und dann über die Membran 38 in Richtung der Schwerkraft abgeleitet wird und diese dabei befeuchtet. An den Abscheiderelementen 38 erfolgt, wie beschrieben eine Abscheidung von flüssigen Wasser und gleichzeitig wird auch die Membran 30 durch den feuchten Gasstrom selber in der Fläche befeuchtet. Dies gilt für alle Ausführungsformen des Befeuchters 37. Die Abscheiderelemente 48 können übereinander (2) oder versetzt zueinander (3) an den Strömungsstegen 47 angeordnet sein. Es ist auch vorgesehen dass die Abscheiderelemente ungleichmäßig über die Fläche der Membran 38 verteilt sind, um beispielsweise Bereiche der Membran 38, die typischerweise trockner sind als andere Bereiche, mit Abscheiderelementen 48 zu einer intensiveren Befeuchtung zu verhelfen. Die Höhe der Abscheiderelemente 48 entspricht vorzugsweise der Höhe des ersten Kanals, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen und die Membran 38 zu stützen. Es können die Abscheiderelemente 48 aber auch unterschiedliche Höhen aufweisen, sodass über die Fläche der Membran 38 gezielt bestimmte Bereiche intensiver befeuchtet werden können.
• Im Bereich des Auffangbehälters 46 sind ebenfalls Abscheiderelemente 48 vorgesehen, jedoch sind hier vorzugsweise keine Strömungsstege 47 notwendig, sodass die Abscheiderelemente 48 ohne Verwendung von Strömungsstegen 47 an der Membran 38 angrenzend angeordnet sind. Dies betrifft alle Ausführungsformen gemäß den 2 bis 7.
• Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Abscheiderelemente 48 des Befeuchters 37 ist in 4 dargestellt, bei der die Abscheiderelemente 48 derart ausgebildet sind, dass diese ein bestimmtes Volumen von flüssigen Wasser (Flüssigkeitsvolumen) angrenzend zur Membran 38 aufzunehmen. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Abscheiderelementen 48 in Relation zur Schwerkraft g eine Vertiefung ausgebildet ist, die abgeschiedenes Wasser aufnehmen kann. Die Abscheiderelemente 48 beziehungsweise deren Vertiefungen sind zur Membran 38 hin offen ausgebildet, sodass das Wasser in den Vertiefungen der Abscheiderelemente 48 in direktem Kontakt zur Membran 38 stehen. Vorzugsweise entspricht die Höhe der Abscheiderelemente 48 mit Vertiefung der Höhe des ersten Kanals 41, sodass die Vertiefungen auf der anderen Seite vorzugsweise durch eine Wandung des ersten Kanals 41 begrenzt sind. Auf dieser Seite können die Vertiefungen auch geschlossen ausgebildet sein, jedoch ist hierdurch ein erhöhter Fertigungsaufwand gegeben, sodass eine offene Ausführung bevorzugt wird. Die Abscheiderelemente 48 im Bereich des Auffangbehälters 46 können ohne Vertiefung ausgeformt sein, da hier das Wasser im Auffangbehälter 46 zur Befeuchtung der Membran 38 zur Verfügung steht.
• 5 zeigt eine zur 4 alternative Ausgestaltung der Abscheiderelemente 48, die derart ausgebildet sind, dass diese ein bestimmtes Volumen von flüssigem Wasser (Flüssigkeitsvolumen) angrenzend zur Membran 38 aufnehmen können. Hier sind diese Abscheiderelemente 48 durch einen geknickten Materialstreifen ausgebildet, dessen Knick die Vertiefung zur Aufnahme des flüssigen Wassers bildet. Das Wasser steht dann, wie bei der vorherigen Ausführungsform, in direktem Kontakt mit der Membran 38 und einer Wandung des ersten Kanals 41. Die Abscheiderelemente 48 im Bereich des Auffangbehälters 46 sind, wie bei 4 beschrieben, ohne eine Vertiefung ausgebildet.
• 6 zeigt eine Ausführungsform des Befeuchters 37, bei der die Strömungsstege 47 wellenförmig ausgestaltet sind, sodass vorteilhafterweise das feuchte Gas über einen größeren Bereich der Membran geführt wird und eine noch gleichmäßigere Befeuchtung erzielt werden kann. Angepasst an die wellenförmige Ausgestaltung der Strömungsstege 47 sind an diesen Abscheiderelemente 48 vorgesehen, die ebenfalls Vertiefungen zur Aufnahme von Wasser ausweisen. Die seitlichen Begrenzungen der Vertiefungen sind analog zu den Ausführungsformen der 4 und 5 ausgeführt. Am höchsten Punkt der der wellenförmigen Strömungsstege 47 sind zusätzliche Abscheiderelemente 49 angeordnet, die lediglich das Wasser abscheiden, dieses aber nicht in Kontakt zur Membran 38 halten. Die Abscheiderelemente 48 im Bereich des Auffangbehälters 46 sind, wie bei 4 beschrieben, ohne eine Vertiefung ausgebildet.
• In der Ausführungsform des Befeuchters 37 der 7 ist ein Teil der Membran 38 mit einer porösen Schicht 50 belegt, von der ein Großteil der Feuchtigkeit des Gasstroms aufgenommen und gleichmäßig an die Membran 38 zur Befeuchtung abgegeben wird. Ein Teil der Membran 38, der erst vom Gastrom überströmt wird, wenn die poröse Beschichtung 50 passiert wurde, sind wiederum Abscheiderelemente 48, die an Strömungsstegen 37 angeordnet sind vorgesehen, sodass der Teil des Wasser, der nicht durch Kontakt mit der porösen Beschichtung 50 abgeschieden, wurde aus dem Gasstrom entfernt werden kann. Das an den Abscheiderelementen 48 abgeschiedene Wasser gelangt in den Auffangbehälter 48, in den die mit der porösen Beschichtung 50 versehene Membran 38 hineinragt und dieses wieder zieht, sodass auch dieses Wasser über die Membran 38 verteilt werden kann. Im Bereich des Auffangbehälters 46 sind keine Abscheiderelemente 48, wie bei 4 beschrieben, ohne eine Vertiefung ausgebildet.
• Bezugszeichenliste

100

Brennstoffzellensystem

10

Brennstoffzellenstapel

11

Einzelzelle

12

Anodenraum

13

Kathodenraum

14

Polymerelektrolytmembran

15

Bipolarplatte

20

Anodenversorgung

21

Anodenversorgungspfad

22

Anodenabgaspfad

23

Brennstofftank

24

Stellmittel

25

Brennstoffrezirkulationsleitung

26

Verdichter

30

Kathodenversorgung

31

Kathodenversorgungspfad

32

Kathodenabgaspfad

33

Verdichter

34

Elektromotor

35

Leistungselektronik

36

Turbine

37

Befeuchter

38

Membran

39

Abscheider

40

erste Seite

41

erster Kanal

42

zweite Seite

43

zweiter Kanal

44

Pfeil

45

Rahmen

46

Auffangbehälter

47

Strömungssteg

48

Abscheiderelement

49

zusätzliches Abscheiderelement

50

poröse Beschichtung

g

Schwerkraft

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012018863 A1 [0007]
• DE 102013003599 A1 [0008]
• DE 102012014611 A1 [0009]

Claims (10)

1. Befeuchter (37) zur Befeuchtung von Prozessgasen, insbesondere für Brennstoffzellen (11), eine wasserdampfdurchlässige Membran (38) sowie Abscheiderelemente (48, 49) zum Abscheiden von Wasser aufweisend, wobei die Membran (38) auf einer ersten Seite (40) mit einem ersten Kanal (41) für einen ersten feuchten Gasstrom und auf der zweiten Seite (42) mit einem zweiten Kanal (43) für einen zweiten, zu befeuchtenden trockenen Gasstrom in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von separaten Abscheiderelementen (48, 49) auf der ersten Seite (40) der Membran (38) angeordnet ist.
2. Befeuchter (37) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindest ein Teil der Abscheiderelementen (48) ausgebildet ist, ein Flüssigkeitsvolumen mit der Membran (38) in Kontakt stehend aufzunehmen.
3. Befeuchter (37) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ersten Seite (40) der Membran (38) eine Vielzahl von Strömungsstegen (47) angeordnet sind, die die Abscheideelement (48, 49) tragen, wobei auch auf der zweiten Seite (42) Strömungsstege (47) auf der Membran (38) angeordnet sein können, die mit den Strömungsstegen (47) der ersten Seite (40) korrespondierend angeordnet sein können.
4. Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Strömungsstege (47) als Abscheiderelemente ausgebildet sind.
5. Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (37) ein Plattenbefeuchter ist und die Abscheiderelemente (48, 49) ausgebildet sein können, die Membran (38) zu stützen.
6. Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (37) eine Vielzahl von Schichten aus erstem Kanal (40), zweitem Kanal (43) und Membran (38) aufweist.
7. Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (37) einen Auffangbehälter (46) zum Sammeln von dem abgeschiedenen Wasser aufweist, der mit dem ersten Kanal (40) verbunden ist, der eine Ablauföffnung für das abgeschiedene flüssige Wasser aufweist, die als ein Überlauf und/oder ein steuerbares Ablaufventil ausgebildet sein kann.
8. Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (38) auf der ersten Seite (40) teilweise mit einer porösen Beschichtung (50) versehen ist.
9. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend – einen Brennstoffzellenstapel (10); – eine Anodenversorgung (20) mit einem Anodenversorgungspfad (21) zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und mit einem Anodenabgaspfad (22) zum Abführen eines Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10); – eine Kathodenversorgung (30) mit einem Kathodenversorgungspfad (31) zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und mit einem Kathodenabgaspfad (32) zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10); und – einen in der Anodenversorgung (20) und/oder der Kathodenversorgung (30) angeordneten Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 8, und optional – eine in Strömungsrichtung der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel (10) nach dem Befeuchter (37) angeordnete Turbine (36).
10. Fahrzeug mit einem Befeuchter (37) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9.

Images