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Vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchter, der in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird. Der Befeuchter dient dabei zur Übertragung von Feuchtigkeit zwischen zwei Gasen, insbesondere zwischen Abluft und Zuluft der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem wird insbesondere in einem Fahrzeug verwendet.
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Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, in Brennstoffzellensystemen Befeuchter einzusetzen. In diesen Befeuchtern wird die verdichtete, trockene Luft, die Kathodenzuluft befeuchtet, um somit den Feuchtegehalt der Membran innerhalb der Brennstoffzelle zu regulieren. Dieses Befeuchten erfolgt insbesondere bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembranen (PEM).
DE 20 2012 004 927 U1 zeigt einen vorbekannten Befeuchter.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung einen Befeuchter für Brennstoffzellen anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und Montage energieeffizient, bauraumoptimiert und betriebssicher verwendet werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Befeuchter für Brennstoffzellen, der zur Übertragung von Feuchtigkeit zwischen Gasen, insbesondere zwischen Abgas und Zugas der Brennstoffzellen, verwendet wird. Das Abgas wird nach den Brennstoffzellen in den Befeuchter geführt. Das Zugas durchläuft zunächst den Befeuchter und anschließend die Brennstoffzellen.
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Bei dem Abgas handelt es sich vorzugsweise um Abluft. Bei dem Zugas handelt es sich vorzugsweise um Zuluft. Insbesondere handelt es sich um relativ feuchte Kathodenabluft und relativ trockene Kathodenzuluft.
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Der erfindungsgemäße Befeuchter umfasst eine feuchte Strömungsfläche, entlang derer das feuchtere Gas, insbesondere das Abgas, geleitet wird. Ferner ist eine trockene Strömungsfläche vorgesehen, entlang derer das trockenere Gas, insbesondere das Zugas, geleitet wird. Die beiden Strömungsflächen werden hier der Übersichtlichkeit halber als feucht bzw. trocken bezeichnet, da sie für das relativ feuchte Gas bzw. das relativ trockene Gas vorgesehen sind. Alternativ können die Strömungsflächen auch als erste und zweite Strömungsflächen bezeichnet werden.
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Zwischen der feuchten Strömungsfläche und der trockenen Strömungsfläche ist eine Befeuchtermembran angeordnet. Die Befeuchtermembran wasserdurchlässig und vorzugsweise weitestgehend gasdicht. Zwischen der Befeuchtermembran und der feuchten Strömungsfläche befindet sich eine erste Gasdiffusionsschicht. Zwischen der Befeuchtermembran und der trockenen Strömungsfläche befindet sich eine zweite Gasdiffusionsschicht. Die beiden Gasdiffusionsschichten sind wasserdurchlässig. Die Befeuchtermembran ist relativ dünn und instabil. Deshalb werden zur Stabilisierung der Befeuchtermembran die beiden Gasdiffusionsschichten verwendet.
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Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die beiden Gasdiffusionsschichten in ihren hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften unterscheiden. Die erste Gasdiffusionsschicht, also die der feuchten Strömungsfläche zugewandte Gasdiffusionsschicht, ist hydrophober als die zweite Gasdiffusionsschicht. Dies bedeutet gleichzeitig, dass die zweite Gasdiffusionsschicht hydrophiler ist als die erste Gasdiffusionsschicht.
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Durch die asymmetrische hydrophobe/hydrophile Ausgestaltung der Gasdiffusionsschichten kann die Wassertransferrate zwischen den beiden Gasen erhöht werden. Durch die relativ hydrophobe Ausgestaltung der ersten Gasdiffusionsschicht, wird erreicht, dass sich möglichst wenig Wasser in der ersten Gasdiffusionsschicht einlagert. Dadurch erhöht sich die Wassertransferrate durch die erste Gasdiffusionsschicht. Die relativ hydrophile Ausgestaltung der zweiten Gasdiffusionsschicht ermöglicht eine Einlagerung von Wasser in die zweite Gasdiffusionsschicht. Diese Wassereinlagerungen wiederum bewirkt eine sehr gleichmäßige Befeuchtung des Gases an der trockenen Strömungsfläche. Somit wird durch die asymmetrische hydrophobe/hydrophile Ausgestaltung der Gasdiffusionsschichten die Leistungsfähigkeit bzw. Leistungsdichte des Befeuchters erhöht.
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Der Unterschied in den hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften der Gasdiffusionsschichten kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Diese Maßnahmen können auch untereinander kombiniert werden: so ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die beiden Gasdiffusionsschichten in ihrem Material und/oder einer etwaigen Oberflächenbeschichtung und/oder einer etwaigen Imprägnierung und/oder der Oberflächengeometrie und/oder der Dichte unterscheiden.
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Als Material für die Gasdiffusionsschichten wird vorzugsweise ein Vlies, ein Gewebe oder ein Gitter verwendet. Das Gitter kann auch als Netz bezeichnet werden.
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Das Vlies besteht aus einzelnen zusammenhaftenden Fasern. Vorzugsweise werden für die beiden Gasdiffusionsschichten Vliese mit unterschiedlichen Dichten verwendet. Bei Geweben oder Gittern können sowohl die Dichte als auch die Maschenweite definiert werden, wobei vorzugsweise in Abhängigkeit von Dichte und/oder Maschenweite die hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften eingestellt werden.
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Die Gasdiffusionsschichten können bevorzugt an der Oberfläche beschichtet und/oder imprägniert sein. Für die Oberflächenbeschichtung bzw. Imprägnierung werden entsprechend hydrophobe bzw. hydrophile Materialien gewählt.
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Auch durch Anpassen der Oberflächengeometrie können unterschiedliche hydrophobe/hydrophile Eigenschaften der beiden Gasdiffusionsschichten erreicht werden. Insbesondere können diese Eigenschaften durch die entsprechende Wahl der Oberflächenrauheit verändert werden.
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Die Hydrophobizität der ersten Gasdiffusionsschicht wir insbesondere über den Kontaktwinkel beschrieben. Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet.
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Besonders bevorzugst ist vorgesehen, dass der Kontaktwinkel der ersten Gasdiffusionsschicht zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 20%, höher ist als der Kontaktwinkel der ersten Gasdiffusionsschicht. Hierzu werden die beiden Gasdiffusionsschichten unter gleichen Bedingungen verglichen.
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Des Weiteren ist besonders bevorzugst vorgesehen, dass der Kontaktwinkel der ersten Gasdiffusionsschicht zumindest 90°, vorzugsweise zumindest 140°, beträgt.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die feuchte Strömungsfläche hydrophober ist als die trockenen Strömungsfläche. Dementsprechend ist die trockene Strömungsfläche hydrophiler als die feuchte Strömungsfläche. Der Unterschied in den hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften der beiden Strömungsflächen begünstigt die Wassertransferrate zwischen den beiden Gasen. In der hydrophoben feuchten Strömungsfläche wird eine Anlagerung von Wasser weitestgehend vermieden. Demgegenüber ermöglicht die trockene Strömungsfläche, insbesondere an ihrer Oberfläche eine Anlagerung von Wasser. Diese Wasseranlagerung begünstigt eine gleichmäßige Befeuchtung des trockenen Gases.
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Die beiden Strömungsflächen sind, im Gegensatz zu den beiden Gasdiffusionsschichten aus keinem poröse Materialien gefertigt. Deshalb ist bei der Gestaltung der beiden Strömungsflächen bezüglich ihrer hydrophoben/hydrophilen Eigenschaften in erster Linie das Material und die Oberfläche von Bedeutung.
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Bevorzugt ist somit vorgesehen, dass die Hydrophobie der feuchten Strömungsfläche im Vergleich zur trockenen Strömungsfläche erreicht wird, durch Unterschiede zwischen den beiden Strömungsflächen bezüglich des Materials und/oder einer etwaigen Oberflächenbeschichtung und/oder der Oberflächengeometrie, insbesondere Oberflächenrauheit.
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Der Befeuchter ist vorzugsweise als Stapel ausgebildet. Der Stapel ist aus mehreren Einheiten zusammengesetzt. Jede Einheit umfasst eine feuchte Strömungsfläche, eine erste Gasdiffusionsschicht, eine Befeuchtermembran, eine zweite Gasdiffusionsschicht und eine trockene Strömungsfläche. Durch entsprechende Verteiler werden das trockene Gas und das feuchte Gas auf die mehreren ersten und zweiten Strömungsflächen verteilt.
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Insbesondere sind in dem als Stapel ausgebildeten Befeuchter mehrere Platten vorgesehen. Die gegenüberliegenden Seiten der einzelnen Platte bilden eine der feuchten oder trockenen Strömungsflächen. Dabei gibt es vorzugsweise zwei Varianten:
Gemäß der ersten Variante befindet sich auf einer Seite der Platte eine feuchte Strömungsfläche und auf der anderen Seite der Platte eine trockene Strömungsfläche. Gemäß der zweiten Variante sind in dem Stapel erste und zweite Platten abwechselnd angeordnet. Die ersten Platten weisen auf beiden Seiten eine feuchte Strömungsfläche auf. Die zweiten Platten weisen auf beiden Seiten eine trockene Strömungsfläche auf.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellen und zumindest einem soeben beschriebenen Befeuchter. Insbesondere wird der Befeuchter dazu verwendet, um Feuchtigkeit zwischen trockener Kathodenzuluft und feuchter Kathodenabluft zu übertragen.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Fahrzeug, insbesondere ein 2-spuriges Straßenfahrzeug. Im Fahrzeug wird das beschriebene Brennstoffzellensystem verwendet. Die darin erzeugte Energie wird insbesondere zum Vortrieb des Fahrzeugs eingesetzt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit erfindungsgemäßem Befeuchter nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 den erfindungsgemäßen Befeuchter nach dem ersten Ausführungsbeispiel, und
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3 den erfindungsgemäßen Befeuchter nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 2 mit Brennstoffzellen 3. In dem Brennstoffzellensystem 2 wird ein erfindungsgemäßer Befeuchter 1 verwendet. 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Bauarten des Befeuchters 1. Beide dieser Bauarten können in dem Brennstoffzellensystem 2 gemäß 1 verwendet werden.
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Der Befeuchter 1 wird dazu verwendet, um Feuchtigkeit zwischen einem trockenen Gas mit einem feuchten Gas auszutauschen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das trockene Gas Kathodenzuluft 5, insbesondere der Umgebung entnommene Frischluft. Die Kathodenzuluft 5 kann über einen Verdichter 4 verdichtet werden. Das feuchte Gas ist die Kathodenabluft 6 der Brennstoffzellen 3. Beide Gase, die Kathodenzuluft 5 und die Kathodenabluft 6 werden dem Befeuchter 1 zugeführt.
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Der Befeuchter 1 ist in den 1 rein schematisch dargestellt. Die einzelnen Schichten des Befeuchters 1 sind dabei in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Tatsächlich liegen diese Schichten aufeinander auf.
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Der Befeuchter 1 umfasst eine feuchte Strömungsfläche 7 und eine trockene Strömungsfläche 8. In den beiden Strömungsflächen 7, 8 können einzelne Kanäle oder Stege ausgebildet sein, um die Gase entsprechend zu leiten. Das feuchte Gas, hier die Kathodenabluft 6 wird auf die feuchte Strömungsfläche 7 geführt. Das trockene Gas, hier die Kathodenzuluft 5 wird auf die trockene Strömungsfläche 8 geführt.
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Zwischen den beiden Strömungsflächen 7, 8 befindet sich eine Befeuchtermembran 9. Diese ist gasundurchlässig und wasserdurchlässig ausgestaltet. Zwischen der Befeuchtermembran 9 und der feuchten Strömungsfläche 7 ist eine erste Gasdiffusionsschicht 10 angeordnet. Zwischen der Befeuchtermembran 9 und der trockenen Strömungsfläche 8 ist eine zweite Gasdiffusionsschicht 11 angeordnet. Die beiden Gasdiffusionsschichten 10, 11 dienen zur Stabilisierung der Befeuchtermembran 9.
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Die beiden Gasdiffusionsschichten 10, 11 weisen unterschiedliche hydrophobe/hydrophile Eigenschaften auf. Dabei ist die erste Gasdiffusionsschicht 10 hydrophober als die zweite Gasdiffusionsschicht 11.
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Zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die feuchte Strömungsfläche 7 hydrophober ist als die trockene Strömungsfläche 8.
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Die relativ hydrophobe Ausgestaltung der feuchten Seite (feuchte Strömungsfläche 7 und erste Gasdiffusionsschicht 10) bzw. die relativ hydrophile Ausgestaltung der trockenen Seite (trockene Strömungsfläche 8 und zweite Gasdiffusionsschicht 11) begünstigen den Wassertransport von dem feuchten Gas in das trockene Gas. Insbesondere erreicht man dadurch, dass sich mehr Wasser auf der trockenen Seite ansammelt und dadurch eine gleichmäßige Befeuchtung des trockenen Gases möglich ist.
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2 zeigt, dass der Befeuchter 1 als Stapel ausgebildet werden kann. Der Stapel weist dabei mehrere Einheiten auf. Jede Einheit wiederum umfasst eine feuchte Strömungsfläche 7, eine erste Gasdiffusionsschicht 10, eine Befeuchtermembran 9, eine zweite Gasdiffusionsschicht 11 und eine trockene Strömungsfläche 8. 2 zeigt lediglich zwei dieser Einheiten. Tatsächlich kann eine Vielzahl an Einheiten gestapelt werden.
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Im Stapel bietet es sich an, Platten 12 zu verwenden, wobei die gegenüberliegenden Seiten der Platten 12 als feuchte oder trockene Strömungsflächen 7, 8 ausgebildet sind. In dem Ausführungsbeispiel nach 2, weist die einzelnen Platte 12 zwei unterschiedliche Strömungsflächen 7, 8 auf.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist die einzelne Platte 12 beidseitig gleiche Strömungsflächen auf: es werden erste Platten 12 und zweite Platten 12 abwechselnd verwendet. Die ersten Platten 12 weisen beidseitig eine feuchte Strömungsfläche 7 auf. Die zweiten Platten 12 weisen beidseitig eine trockene Strömungsfläche 8 auf.
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Alternativ zum Stapeln der einzelnen Einheiten, kann eine einzelne Einheit oder können mehrere Einheiten auch gerollt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befeuchter
- 2
- Brennstoffzellensystem
- 3
- Brennstoffzellen
- 4
- Verdichter
- 5
- trockenes Gas, insbesondere Kathodenzuluft
- 6
- feuchtes Gas, insbesondere Kathodenabluft
- 7
- feuchte Strömungsfläche
- 8
- trockene Strömungsfläche
- 9
- Befeuchtermembran
- 10
- erste Gasdiffusionsschicht
- 11
- zweite Gasdiffusionsschicht
- 12
- Platte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012004927 U1 [0003]
