DE102016003007A1 - Humidifier device for a fuel cell device and fuel cell device - Google Patents

Humidifier device for a fuel cell device and fuel cell device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtervorrichtung (2) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit – einem Befeuchterstapel (2.4) oder einem Hohlfasermembran-Bündel (4), welcher bzw. welches stirnseitig von einer eingangsseitigen Endplatte (2.5) und einer ausgangsseitigen Endplatte (2.6) begrenzt ist, – mindestens zwei Medieneingängen (2.5.1, 2.6.1) und zwei Medienausgängen (2.5.2, 2.6.2), wobei ein Medieneingang (2.5.1) und ein Medienausgang (2.5.2) in der eingangsseitigen Endplatte (2.5) und ein weiterer Medieneingang (2.6.1) und ein weiterer Medienausgang (2.6.2) in der ausgangsseitigen Endplatte (2.6) angeordnet sind und jeweils mit den Endplatten (2.5, 2.6) ein einteiliges Bauteil bilden, – einer Befeuchterbypassleitung (2.2), über welche eine trockene Zuluft vom Medieneingang (2.5.1) zum weiteren Medienausgang (2.6.2) außerhalb des Befeuchterstapels (2.4) oder des Hohlfasermembran-Bündels (4) führbar ist, und – wenigstens einem Flüssigkeitsabscheider (2.8), welcher in der eingangsseitigen Endplatte (2.5) im Bereich des Medienausgangs (2.5.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Systembypassleitung (2.3) vorgesehen ist, über welche die trockene Zuluft vom Medieneingang (2.5.1) zum Medienausgang (2.5.2) außerhalb des Befeuchterstapels (2.4) oder des Hohlfasermembran-Bündels (4) führbar ist, wobei der Medienausgang (2.5.2) mit einer Abgasleitung (2.1) verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend – mindestens einen Brennstoffzellenstapel (1.1) mit einem Anodenraum (1.1.1) und einem Kathodenraum (1.1.2) und – mindestens eine Befeuchtervorrichtung (2).The invention relates to a humidifier device (2) for a fuel cell device (1) having - a humidifier stack (2.4) or a hollow fiber membrane bundle (4) which delimits the end face of an input-side end plate (2.5) and an output end plate (2.6) is, - at least two media inputs (2.5.1, 2.6.1) and two media outputs (2.5.2, 2.6.2), one media input (2.5.1) and one media output (2.5.2) in the input end plate (2.5 ) and a further media input (2.6.1) and a further media outlet (2.6.2) are arranged in the output-side end plate (2.6) and in each case form a one-part component with the end plates (2.5, 2.6), - a humidifier bypass line (2.2), via which a dry supply air from the media inlet (2.5.1) to the other media outlet (2.6.2) outside the Befeuchterstapels (2.4) or the hollow fiber membrane bundle (4) can be guided, and - at least one liquid separator (2.8), which it is arranged in the input-side end plate (2.5) in the region of the media outlet (2.5.2), characterized in that in addition a system bypass line (2.3) is provided, via which the dry supply air from the media inlet (2.5.1) to the media outlet (2.5. 2) outside the Befeuchterstapels (2.4) or the hollow fiber membrane bundle (4) can be guided, wherein the media outlet (2.5.2) is connected to an exhaust pipe (2.1). Furthermore, the invention relates to a fuel cell device (1) comprising - at least one fuel cell stack (1.1) with an anode compartment (1.1.1) and a cathode compartment (1.1.2) and - at least one humidification device (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtervorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen Befeuchtervorrichtung.The invention relates to a humidifier device for a fuel cell device according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel cell device with such a humidifier.

Aus dem Stand der Technik ist, wie beispielsweise in WO 2014/205574 A1 beschrieben, eine integrierte Gasmanagmentvorrichtung bekannt, die eine als Gas-zu-Gas Befeuchter ausgebildete Befeuchtervorrichtung enthält, welche zur Übertragung von Wasser von einem ersten Gas zu einem zweiten Gas vorgesehen ist. Die Gasmanagmentvorrichtung umfasst weiterhin einen Wärmetauscher, der an ein erstes Ende der Befeuchtervorrichtung zur Kühlung des ersten Gases angefügt ist. Ferner umfasst die Gasmanagmentvorrichtung einen Flüssigkeitsabscheider, welcher an ein zweites Ende der Befeuchtervorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus dem zweiten Gas angefügt ist.From the prior art, such as in WO 2014/205574 A1 described, an integrated Gasmanagmentvorrichtung known which contains a designed as a gas-to-gas humidifier humidifier, which is provided for the transfer of water from a first gas to a second gas. The gas management apparatus further includes a heat exchanger attached to a first end of the humidifier apparatus for cooling the first gas. Further, the gas management device includes a liquid separator attached to a second end of the humidifier device for separating water from the second gas.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Befeuchtervorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung sowie eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved humidifier device for a fuel cell assembly and an improved over the prior art fuel cell assembly.

Hinsichtlich der Befeuchtervorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich der Brennstoffzellenvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst.With regard to the humidifier, the object is achieved according to the invention with the features specified in claim 1. With regard to the fuel cell device, the object is achieved according to the invention with the features specified in claim 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine Befeuchtervorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Befeuchterstapel oder ein Hohlfasermembran-Bündel, welcher bzw. welches stirnseitig von einer eingangsseitigen Endplatte und einer ausgangsseitigen Endplatte begrenzt ist. Weiterhin umfasst die Befeuchtervorrichtung mindestens zwei Medieneingänge und zwei Medienausgänge, wobei ein Medieneingang und ein Medienausgang in der eingangsseitigen Endplatte und ein weiterer Medieneingang und ein weiterer Medienausgang in der ausgangsseitigen Endplatte angeordnet sind und jeweils mit den Endplatten ein einteiliges Bauteil bilden. Darüber hinaus umfasst die Befeuchtervorrichtung eine Befeuchterbypassleitung, über welche eine trockene Zuluft vom Medieneingang zum weiteren Medienausgang außerhalb des Befeuchterstapels oder des Hohlfasermembran-Bündels führbar ist und wenigstens einen Flüssigkeitsabscheider, welcher in der eingangsseitigen Endplatte im Bereich des Medienausgangs angeordnet ist.A humidifier apparatus for a fuel cell apparatus includes a humidifier stack or a hollow fiber membrane bundle which is frontally defined by an input side end plate and an output side end plate. Furthermore, the humidifier device comprises at least two media inputs and two media outlets, wherein a media input and a media outlet are arranged in the input side end plate and another media input and another media outlet are arranged in the output side end plate and respectively form a one-piece component with the end plates. In addition, the humidifier comprises a humidifier bypass line through which a dry supply air from the media inlet to the other media outlet outside the Befeuchterstapels or the hollow fiber membrane bundle is feasible and at least one liquid separator, which is arranged in the input side end plate in the region of the media outlet.

Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Systembypassleitung vorgesehen, über welche die trockene Zuluft vom Medieneingang zum Medienausgang außerhalb des Befeuchterstapels oder des Hohlfasermembran-Bündels führbar ist, wobei der Medienausgang mit einer Abgasleitung verbunden ist.According to the invention, a system bypass line is additionally provided, via which the dry supply air from the media inlet to the media outlet outside the Befeuchterstapels or the hollow fiber membrane bundle can be guided, wherein the media outlet is connected to an exhaust pipe.

Die derart ausgebildete Befeuchtervorrichtung erhöht eine Lebensdauer einer Brennstoffzellenvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik signifikant. Die Systembypassleitung ermöglicht dabei bei bestimmten Änderungen eines Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung, z. B. bei plötzlichem Abschalten oder einer zeitnah erforderlichen Lastverringerung, die Frischluftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel mit einer minimalen zeitlichen Verzögerung zu beenden. Dabei ermöglicht die Systembypassleitung insbesondere einen Druckausgleich zwischen einem Anodenraum und einem Kathodenraum nach plötzlicher Abschaltung des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung. Dies ist vorteilhaft, da zwischen der Beendigung einer Brennstoffzufuhr zum Anodenraum und der Beendigung der Frischluftzufuhr zum Kathodenraum üblicherweise eine zeitliche Verzögerung auftritt, aus der Druckunterschiede resultieren, die zu starken mechanischen Beschädigungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels, z. B. ein Zerreißen von Polymerelektrolyt- oder Protonenaustauschmembranen, führen können.The humidifier device thus formed significantly increases a lifetime of a fuel cell device over the prior art. The system bypass line allows for certain changes in an operating condition of the fuel cell device, for. B. in case of sudden shutdown or a promptly required load reduction, the fresh air supply to the fuel cell stack to end with a minimal delay. In particular, the system bypass line allows a pressure equalization between an anode compartment and a cathode compartment after sudden shutdown of the operation of the fuel cell device. This is advantageous because between the termination of a fuel supply to the anode compartment and the termination of the fresh air supply to the cathode compartment usually a time delay occurs, resulting from the pressure differences, the excessive mechanical damage within the fuel cell stack, z. As a rupture of polymer electrolyte or proton exchange membranes, can lead.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Befeuchtervorrichtung, 1 1 schematically a block diagram of an embodiment according to the invention of a fuel cell device with a humidifier device,

2 schematisch eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Befeuchtervorrichtung und 2 schematically a sectional view of an inventive embodiment of a humidifier and

3 schematisch eine Schnittdarstellung eines alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Befeuchtervorrichtung. 3 schematically a sectional view of an alternative embodiment of a humidifier according to the invention.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 in Form eines Blockschaltbildes. 1 shows a possible embodiment of a fuel cell device according to the invention 1 in the form of a block diagram.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist beispielsweise in ein nicht dargestelltes Fahrzeug integriert, welches eine als Elektromotor (nicht dargestellt) ausgebildete Antriebseinheit aufweist. Zur Versorgung der Antriebseinheit mit elektrischer Energie ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorgesehen, welche einen Brennstoffzellenstapel 1.1 zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 1.1 umfasst eine Mehrzahl einzelner Brennstoffzellen (nicht dargestellt), welche jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit aufweisen, bei der eine Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist, so dass der Brennstoffzellenstapel 1.1 einen Anodenraum 1.1.1 und einen Kathodenraum 1.1.2 aufweist. The fuel cell device 1 is integrated, for example, in a vehicle, not shown, which has a (not shown) as an electric motor formed drive unit. To supply the drive unit with electrical energy is the fuel cell device 1 provided, which a fuel cell stack 1.1 for converting chemical energy into electrical energy. The fuel cell stack 1.1 includes a plurality of individual fuel cells (not shown) each having a membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is disposed between an anode and a cathode, such that the fuel cell stack 1.1 an anode room 1.1.1 and a cathode compartment 1.1.2 having.

Zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird dem Brennstoffzellenstapel 1.1 über eine in zwei Abschnitte 1.2.1, 1.2.2 geteilte Zuluftleitung 1.2 Luft zugeführt, wobei die Luft in den Kathodenraum 1.1.2 des Brennstoffzellenstapels 1.1 geleitet wird. Über eine Brennstoffzuleitung 1.3 wird dem Anodenraum 1.1.1 des Brennstoffzellenstapels 1.1 Brennstoff, z. B. in Form von Wasserstoff, zugeführt.For operation of the fuel cell device 1 becomes the fuel cell stack 1.1 about one in two sections 1.2.1 . 1.2.2 divided supply air line 1.2 Air is supplied, with the air in the cathode compartment 1.1.2 of the fuel cell stack 1.1 is directed. About a fuel supply line 1.3 becomes the anode compartment 1.1.1 of the fuel cell stack 1.1 Fuel, z. In the form of hydrogen.

Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1.1 reagiert der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem Brennstoff, wobei elektrische Energie erzeugt wird, die einem elektrischen Verbraucher, z. B. einem Elektromotor, zugeführt wird.Inside the fuel cell stack 1.1 the oxygen contained in the air reacts with the fuel, whereby electrical energy is generated, which is an electrical consumer, for. B. an electric motor is supplied.

Dem Kathodenraum 1.1.2 ist zur Konditionierung der zugeführten Luft eine Befeuchtervorrichtung 2 vorgeschaltet, die in 2 näher dargestellt und beschrieben ist. Hierbei wird über einen ersten Abschnitt 1.2.1 der Zuluftleitung 1.2 trockene Luft beim Durchströmen der Befeuchtervorrichtung 2 befeuchtet und über einen zweiten Abschnitt 1.2.2 der Zuluftleitung 1.2 als befeuchtete Luft dem Kathodenraum 1.1.2 zugeführt.The cathode compartment 1.1.2 For the conditioning of the supplied air is a humidifier device 2 upstream, in 2 is shown and described in detail. This is about a first section 1.2.1 the supply air line 1.2 dry air flowing through the humidifier device 2 moistened and over a second section 1.2.2 the supply air line 1.2 as humidified air to the cathode compartment 1.1.2 fed.

Des Weiteren wird der Befeuchtervorrichtung 2 über eine Abluftleitung 1.4 feuchte Abluft aus dem Kathodenraum 1.1.2 zugeführt, welche der Befeuchtervorrichtung 2 die notwendige Feuchtigkeit zur Befeuchtung der trockenen Zuluft zuführt.Furthermore, the humidifier device 2 via an exhaust pipe 1.4 moist exhaust air from the cathode compartment 1.1.2 which is the humidifier device 2 supplying the necessary moisture to humidify the dry supply air.

Die mittels der Befeuchtervorrichtung 2 entfeuchtete Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 1.1 wird über eine Abgasleitung 2.1 aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 heraus geleitet und gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage 3 des zuvor erwähnten Fahrzeugs geleitet. Alternativ kann das Abgas auch in einen anderen Bereich außerhalb oder innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 geleitet werden.The by means of the humidifier device 2 dehumidified exhaust air from the fuel cell stack 1.1 is via an exhaust pipe 2.1 from the fuel cell device 1 out and according to the present embodiment of an exhaust system 3 passed the aforementioned vehicle. Alternatively, the exhaust gas may also be in another area outside or inside the fuel cell device 1 be directed.

Ferner weist die Befeuchtervorrichtung 2 zwei Bypassleitungen 2.2, 2.3 auf, mittels welcher die trockene Zuluft ohne Befeuchtung aus der Befeuchtervorrichtung 2 herausgeführt wird. Ein Verlauf einer Befeuchterbypassleitung 2.2 und einer Systembypassleitung 2.3 ist dabei im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils nur vereinfacht dargestellt, wobei gezeigt werden soll, dass die in die Befeuchtervorrichtung 2 einströmende trockene Zuluft einem Ausgang der Befeuchtervorrichtung 2 bzw. der Abgasanlage 3 ohne Befeuchtung zugeführt wird. Eine genaue Darstellung und Beschreibung der Bypassleitungen 2.2, 2.3 erfolgt in 2.Furthermore, the humidifier device 2 two bypass lines 2.2 . 2.3 on, by means of which the dry supply air without humidification from the humidifier 2 is led out. A course of a humidifier bypass line 2.2 and a system bypass line 2.3 In this case, in the present exemplary embodiment, in each case only shown in simplified form, wherein it should be shown that the in the humidifier 2 incoming dry incoming air to an outlet of the humidifier device 2 or the exhaust system 3 is supplied without humidification. An exact description and description of the bypass lines 2.2 . 2.3 takes place in 2 ,

Darüber hinaus können hier weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Luftfilter, Ladeluftkühler oder dergleichen mehr, angeordnet sein. Da diese keinen erfindungsrelevanten Gegenstand darstellen, wird aus Gründen der Übersichtlichkeit auf deren Darstellung und Erläuterung verzichtet.In addition, here further components, such as an air filter, intercooler or the like can be arranged more. Since these represent no subject relevant to the invention, their presentation and explanation is omitted for reasons of clarity.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Befeuchtervorrichtung 2, wobei diese in einer Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt, gezeigt ist. 2 shows an inventive embodiment of the humidifier 2 , wherein this is shown in a sectional view, in particular in a longitudinal section.

Die Befeuchtervorrichtung 2 umfasst einen Befeuchterstapel 2.4, welcher stirnseitig von einer eingangsseitigen Endplatte 2.5 und einer ausgangsseitigen Endplatte 2.6 und zumindest seitlich von einem Gehäuse 2.7 begrenzt ist.The humidifier device 2 includes a humidifier stack 2.4 , which front side of an input-side end plate 2.5 and an output end plate 2.6 and at least laterally of a housing 2.7 is limited.

Der Befeuchterstapel 2.4 ist aus einer Mehrzahl übereinander gestapelter Befeuchterzellen 2.4.1 gebildet, wobei jede Befeuchterzelle 2.4.1 mindestens eine wasserdurchlässige Membran und zwei Separatorplatten (nicht näher dargestellt) aufweist. Die Separatorplatten weisen jeweils eine Anzahl an Kanälen auf, so dass durch eine der Separatorplatten die trockene Zuluft und durch die andere Separatorplatte die feuchte Abluft strömen kann. Zwischen den Separatorplatten ist die Membran angeordnet, welche einen Übertritt von Wasser von der feuchten Abluft auf die trockene Zuluft ermöglicht.The humidifier stack 2.4 is made of a plurality of stacked humidifier cells 2.4.1 formed, each humidifier cell 2.4.1 has at least one water-permeable membrane and two separator plates (not shown in detail). The separator plates each have a number of channels, so that the dry supply air can flow through one of the separator plates and the humid exhaust air through the other separator plate. Between the Separatorplatten the membrane is arranged, which allows a transfer of water from the moist exhaust air to the dry supply air.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die eingangsseitige Endplatte 2.5 einen Medieneingang 2.5.1 und einen Medienausgang 2.5.2 auf, wobei dem Medieneingang 2.5.1 über den ersten Abschnitt 1.2.1 der Zuluftleitung 1.2 trockene Luft zugeführt wird. Der Medienausgang 2.5.2 ist mit der Abgasleitung 2.1 verbunden, über welche gemäß der Beschreibung aus 1 überschüssiges Wasser abgeführt wird.According to the present embodiment, the input-side end plate 2.5 a media input 2.5.1 and a media outlet 2.5.2 on, taking the media input 2.5.1 over the first section 1.2.1 the supply air line 1.2 dry air is supplied. The media output 2.5.2 is with the exhaust pipe 2.1 connected, about which according to the description 1 excess water is removed.

Die ausgangsseitige Endplatte 2.6 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen weiteren Medieneingang 2.6.1 und einen weiteren Medienausgang 2.6.2 auf, wobei dem weiteren Medieneingang 2.6.1 über die Abluftleitung 1.4 feuchte Abluft vom Kathodenraum 1.1.2 zugeführt wird. Der weitere Medienausgang 2.6.2 ist mit dem Kathodenraum 1.1.2 über den zweiten Abschnitt 1.2.2 der Zuluftleitung 1.2 verbunden, mittels welcher dem Kathodenraum 1.1.2 befeuchtete Luft zugeführt wird.The output end plate 2.6 has according to the present embodiment, a further media input 2.6.1 and another media outlet 2.6.2 on, with the other media input 2.6.1 via the exhaust air line 1.4 moist exhaust air from the cathode compartment 1.1.2 is supplied. The further media output 2.6.2 is with the cathode compartment 1.1.2 over the second section 1.2.2 of the air supply 1.2 connected by means of which the cathode compartment 1.1.2 humidified air is supplied.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sich der Medieneingang 2.5.1 und der weitere Medienausgang 2.6.2 sowie der Medienausgang 2.5.2 und der weitere Medieneingang 2.6.1 in Betrachtungsrichtung jeweils direkt gegenüberliegend angeordnet. Alternativ können diese sich auch jeweils diagonal zueinander gegenüberliegend angeordnet sein.In the present embodiment, the media input 2.5.1 and the other media output 2.6.2 as well as the media output 2.5.2 and the further media input 2.6.1 arranged in the viewing direction directly opposite one another. Alternatively, these can also be arranged diagonally opposite each other.

Die Medieneingänge 2.5.1, 2.6.1 und Medienausgänge 2.5.2, 2.6.2 sind jeweils in den Endplatten 2.5, 2.6 integriert und bilden mit diesen ein einteiliges Bauteil. Beispielsweise sind die Medieneingänge 2.5.1, 2.6.1 und Medienausgänge 2.5.2, 2.6.2 jeweils als Durchgangsöffnungen in die Endplatten 2.5, 2.6 eingebracht und weisen ein rechteckiges Querschnittsprofil auf. Alternativ können die Medieneingänge 2.5.1, 2.6.1 und Medienausgänge 2.5.2, 2.6.2 auch ein dreieckiges oder rundes Querschnittsprofil aufweisen.The media inputs 2.5.1 . 2.6.1 and media outlets 2.5.2 . 2.6.2 are each in the end plates 2.5 . 2.6 integrated and form with these a one-piece component. For example, the media inputs 2.5.1 . 2.6.1 and media outlets 2.5.2 . 2.6.2 each as through holes in the end plates 2.5 . 2.6 introduced and have a rectangular cross-sectional profile. Alternatively, the media inputs 2.5.1 . 2.6.1 and media outlets 2.5.2 . 2.6.2 also have a triangular or round cross-sectional profile.

Die Ausbildung als einteiliges Bauteil ermöglicht eine verringerte Anzahl an Verbindungselementen und dabei ein geringeres Risiko von Leckagen oder anderen Undichtigkeiten. Zudem weisen die Endplatten 2.5, 2.6 hierbei nur ein geringes Gewicht auf. Damit ist eine Montage der Befeuchtervorrichtung 2 und der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht und Kosten verringert.The formation as a one-piece component allows a reduced number of fasteners and thereby a lower risk of leaks or other leaks. In addition, the end plates have 2.5 . 2.6 this only a small weight. This is an assembly of the humidifier 2 and the fuel cell device 1 Compared to the prior art simplified and reduced costs.

Wie bereits in 1 erwähnt, weist die Befeuchtervorrichtung 2 zwei Bypassleitungen 2.2, 2.3 auf, über die eine dem Medieneingang 2.5.1 zugeführte trockene Zuluft am Befeuchterstapel 2.4 vorbei geführt wird. Die Bypassleitungen 2.2, 2.3 sind analog zu den Medieneingängen 2.5.1, 2.6.1 und Medienausgängen 2.5.2, 2.6.2 im Bereich der Endplatten 2.5, 2.6 einteilig mit diesen ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung der Befeuchtervorrichtung 2.As already in 1 mentions the humidifier device 2 two bypass lines 2.2 . 2.3 on, over the one the media entrance 2.5.1 supplied dry supply air to the humidifier stack 2.4 passed by. The bypass lines 2.2 . 2.3 are analogous to the media inputs 2.5.1 . 2.6.1 and media outlets 2.5.2 . 2.6.2 in the area of end plates 2.5 . 2.6 formed integrally with these. This allows a particularly compact design of the humidifier 2 ,

Eine Befeuchterbypassleitung 2.2 dient dazu, die trockene Zuluft ohne Befeuchtung zum weiteren Medienausgang 2.6.2 zu leiten. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Befeuchterbypassleitung 2.2 strömungstechnisch mit dem Medieneingang 2.5.1 und dem weiteren Medienausgang 2.6.2 verbunden und verläuft abschnittsweise durch das Gehäuse 2.7 durch. Alternativ kann der durch das Gehäuse 2.7 verlaufende Abschnitt auch außerhalb der Befeuchtervorrichtung 2 verlaufen.A humidifier bypass line 2.2 serves to dry supply air without humidification to the other media outlet 2.6.2 to lead. According to the present embodiment, the humidifier bypass line 2.2 fluidically with the media input 2.5.1 and the other media output 2.6.2 connected and runs in sections through the housing 2.7 by. Alternatively, the through the housing 2.7 extending section also outside the humidifier device 2 run.

Die Systembypassleitung 2.3 dient dazu, die trockene Zuluft aus der Befeuchtervorrichtung 2 derart herauszuführen, dass diese weder den Befeuchterstapel 2.4 noch den Brennstoffzellenstapel 1.1 durchströmt. Die Systembypassleitung 2.3 dient somit der Umleitung der trockenen Zuluft in einen Bereich außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 1, ohne dass diese den Brennstoffzellenstapel 1.1 erreicht. Gemäß dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Systembypassleitung 2.3 strömungstechnisch mit dem Medieneingang 2.5.1 und dem Medienausgang 2.5.2 und somit mit der Abgasleitung 2.1 verbunden. Alternativ kann die Systembypassleitung 2.3 auch in einen anderen Bereich außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 geleitet werden.The system bypass line 2.3 serves to dry the supply air from the humidifier device 2 lead out so that this neither the humidifier 2.4 still the fuel cell stack 1.1 flows through. The system bypass line 2.3 thus serves the diversion of the dry supply air in an area outside of the fuel cell device 1 without this the fuel cell stack 1.1 reached. According to the in 1 and 2 The exemplary embodiments shown are the system bypass line 2.3 fluidically with the media input 2.5.1 and the media output 2.5.2 and thus with the exhaust pipe 2.1 connected. Alternatively, the system bypass line 2.3 also in another area outside of the fuel cell device 1 be directed.

Zur Steuerung und/oder Regelung einer Strömungsrichtung der trockenen Zuluft weisen die Bypassleitungen 2.2, 2.3 jeweils ein Stellelement 2.2.1, 2.3.1 auf, welches beispielsweise als eine Drosselklappe ausgebildet ist. Die Stellelemente 2.2.1, 2.3.1 sind vorzugsweise jeweils elektrisch ansteuerbar. Sind beide Stellelemente 2.2.1, 2.3.1 in einer geschlossenen Position, wird die trockene Luft vollständig durch den Befeuchterstapel 2.4 hindurch zum weiteren Medienausgang 2.6.2 geleitet und dabei befeuchtet.For controlling and / or regulating a flow direction of the dry supply air, the bypass lines 2.2 . 2.3 one actuator each 2.2.1 . 2.3.1 on, which is designed for example as a throttle valve. The control elements 2.2.1 . 2.3.1 are preferably each electrically actuated. Are both control elements 2.2.1 . 2.3.1 in a closed position, the dry air is completely through the humidifier stack 2.4 through to the other media outlet 2.6.2 guided while moistening.

Ist das Stellelement 2.2.1 der Befeuchterbypassleitung 2.2 geöffnet, so strömt ein bestimmter Anteil der trockenen Luft zusätzlich über die Befeuchterbypassleitung 2.2 zum weiteren Medienausgang 2.6.2 und mischt sich dort mit der befeuchteten Luft, die anschließend dem Kathodenraum 1.1.2 zugeführt wird. Ist das Stellelement 2.3.1 der Systembypassleitung 2.3 geöffnet, so strömt ein bestimmter Anteil der trockenen Luft zusätzlich über die Systembypassleitung 2.3 zur Abgasleitung 2.1.Is the control element 2.2.1 the humidifier bypass line 2.2 open, a certain proportion of the dry air flows in addition via the humidifier bypass line 2.2 to the further media outlet 2.6.2 and mixes there with the humidified air, which then the cathode compartment 1.1.2 is supplied. Is the control element 2.3.1 the system bypass line 2.3 open, a certain proportion of the dry air flows in addition via the system bypass line 2.3 to the exhaust pipe 2.1 ,

Die Stellelemente 2.2.1, 2.3.1 können mit der eingangsseitigen Endplatte 2.5 integriert ausgebildet sein. Alternativ ist es auch möglich, dass die Stellelemente 2.2.1, 2.3.1 als separate Bauteile ausgebildet sind und mit der eingangsseitigen Endplatte 2.5 kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig befestigt sind. Beispielsweise sind die Stellelemente 2.2.1, 2.3.1 mit einer Außenseite der eingangsseitigen Endplatte 2.5 verschraubt.The control elements 2.2.1 . 2.3.1 can with the input side end plate 2.5 be formed integrated. Alternatively, it is also possible that the control elements 2.2.1 . 2.3.1 are formed as separate components and with the input side end plate 2.5 are fixed force and / or positive and / or cohesive. For example, the control elements 2.2.1 . 2.3.1 with an outside of the input side end plate 2.5 screwed.

Mittels der Systembypassleitung 2.3 kann eine Luftzufuhr zum Kathodenraum 1.1.2 mit einer minimalen zeitlichen Verzögerung gestoppt werden. Beispielsweise ist dies bei bestimmten Änderungen eines Betriebszustands der Brennstoffzellenvorrichtung 1, z. B. bei plötzlichem Abschalten oder einer zeitnah erforderlichen Lastverringerung, erforderlich. Über die Systembypassleitung 2.3 ist somit ein Druckausgleich zwischen dem Anodenraum 1.1.1 und dem Kathodenraum 1.1.2 möglich, wenn zwischen der Beendigung einer Brennstoffzufuhr zum Anodenraum 1.1.1 und der Beendigung der Frischluftzufuhr zum Kathodenraum 1.1.2 eine zeitliche Verzögerung auftritt, aus der Druckunterschiede resultieren, die zu starken mechanischen Beschädigungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1.1, z. B. ein Zerreißen von Polymerelektrolyt- oder Protonenaustauschmembranen, führen können.By means of the system bypass line 2.3 can be an air supply to the cathode compartment 1.1.2 be stopped with a minimal time delay. For example, this is at certain changes in an operating state of the fuel cell device 1 , z. B. in case of sudden shutdown or a promptly required load reduction required. About the system bypass line 2.3 is thus a pressure equalization between the anode compartment 1.1.1 and the cathode compartment 1.1.2 possible if between the termination of a fuel supply to the anode compartment 1.1.1 and the completion of the fresh air supply to the cathode compartment 1.1.2 a time delay occurs from the pressure differences result in excessive mechanical damage within the fuel cell stack 1.1 , z. As a rupture of polymer electrolyte or proton exchange membranes, can lead.

Ferner umfasst die gezeigte Befeuchtervorrichtung 2 einen Flüssigkeitsabscheider 2.8, welcher in Strömungsrichtung hinter dem Stellelement 2.3.1 der Systembypassleitung 2.3 innerhalb der eingangsseitigen Endplatte 2.5 im Bereich des Medienausgangs 2.5.2 angeordnet ist. Alternativ kann der Flüssigkeitsabscheider 2.8 auch derart im Medienausgang 2.5.2 angeordnet sein, dass die Systembypassleitung 2.3 in Strömungsrichtung nach dem Flüssigkeitsabscheider 2.8 in den Medienausgang 2.5.2 und damit in die Abgasleitung 2.1 mündet.Furthermore, the humidifier device shown comprises 2 a liquid separator 2.8 , which in the flow direction behind the actuator 2.3.1 the system bypass line 2.3 inside the input end plate 2.5 in the area of the media outlet 2.5.2 is arranged. Alternatively, the liquid separator 2.8 also in the media output 2.5.2 be arranged that the system bypass line 2.3 in the flow direction after the liquid separator 2.8 in the media output 2.5.2 and thus into the exhaust pipe 2.1 empties.

Da Produktwasser aus dem Brennstoffzellenstapel 2 üblicherweise nicht dampfförmig austritt, sondern in flüssigem Aggregatzustand, dient der Flüssigkeitsabscheider 2.8 dem Abscheiden von überschüssigem Wasser, insbesondere ausgehend vom Brennstoffzellenstapel 1.1, welches vorzugsweise in einen Auffangbehälter (hier nicht dargestellt) abgeleitet wird.Because product water from the fuel cell stack 2 usually does not exit in vapor form, but in the liquid state, serves the liquid separator 2.8 the separation of excess water, in particular starting from the fuel cell stack 1.1 which is preferably discharged into a collecting container (not shown here).

3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Befeuchtervorrichtung 2, wobei diese ebenfalls in einer Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt, gezeigt ist. 3 shows an alternative embodiment of the humidifier device 2 , which is also shown in a sectional view, in particular in a longitudinal section.

Hierbei ist anstelle des Befeuchterstapels 2.4 ein Hohlfasermembran-Bündel 4 vorgesehen, welches eine Vielzahl von Hohlfasermembranen 4.1 umfasst. Die Hohlfasermembranen 4.1 erstrecken sich im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zur Längsrichtung des Gehäuses 2.7 und sind jeweils an ihren stirnseitigen Enden offen ausgebildet.This is instead of the humidifier stack 2.4 a hollow fiber membrane bundle 4 provided, which a variety of hollow fiber membranes 4.1 includes. The hollow fiber membranes 4.1 extend in the embodiment shown parallel to the longitudinal direction of the housing 2.7 and are each open at their front ends.

Die Hohlfasermembranen 4.1 sind insbesondere als zylindrische Fasern mit einem oder mehreren Hohlräumen im Querschnitt ausgebildet, wobei die Wände der Fasern zur Befeuchtung der Zuluft und zur Entfeuchtung der Abluft Feuchtigkeit durchlässige Strukturen aufweisen, so dass die Wände als Membran wirken. Die Hohlfasermembranen 4.1 können aus Polysulfon (PSU), Polyimid (PI), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES) oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein.The hollow fiber membranes 4.1 are in particular formed as cylindrical fibers with one or more cavities in cross-section, wherein the walls of the fibers for moistening the supply air and for dehumidifying the exhaust air have moisture-permeable structures, so that the walls act as a membrane. The hollow fiber membranes 4.1 may be formed from polysulfone (PSU), polyimide (PI), polyetheretherketone (PEEK), polyethersulfone (PES), or other suitable material.

Die Anordnung eines Hohlfasermembran-Bündels 4 ermöglicht dabei einen besonders effizienten Betrieb der Befeuchtervorrichtung 2 aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche der einzelnen Hohlfasermembranen 4.The arrangement of a hollow fiber membrane bundle 4 allows a particularly efficient operation of the humidifier 2 due to the high specific surface of the individual hollow-fiber membranes 4 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
1.11.1
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1.1.11.1.1
Anodenraumanode chamber
1.1.21.1.2
Kathodenraumcathode space
1.21.2
Zuluftleitungair supply
1.2.11.2.1
Abschnittsection
1.2.21.2.2
Abschnittsection
1.31.3
Brennstoffzuleitungfuel supply line
1.41.4
Abluftleitungexhaust duct
22
Befeuchtervorrichtunghumidifier device
2.12.1
Abgasleitungexhaust pipe
2.22.2
BefeuchterbypassleitungBefeuchterbypassleitung
2.2.12.2.1
Stellelementactuator
2.32.3
SystembypassleitungSystem bypass line
2.3.12.3.1
Stellelementactuator
2.42.4
BefeuchterstapelBefeuchterstapel
2.4.12.4.1
Befeuchterzellehumidifier cell
2.52.5
eingangsseitige Endplatteinput-side end plate
2.5.12.5.1
Medieneingangmedia input
2.5.22.5.2
Medienausgangmedia output
2.62.6
ausgangsseitige Endplatteoutput side end plate
2.6.12.6.1
weiterer Medieneingangadditional media input
2.6.22.6.2
weiterer Medienausgangadditional media output
2.72.7
Gehäusecasing
2.82.8
Flüssigkeitsabscheiderliquid separator
33
Abgasanlageexhaust system
44
Hohlfasermembran-BündelHollow fiber membrane bundle
4.14.1
HohlfasermembranHollow fiber membrane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2014/205574 A1 [0002] WO 2014/205574 A1 [0002]

Claims (7)

Befeuchtervorrichtung (2) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit – einem Befeuchterstapel (2.4) oder einem Hohlfasermembran-Bündel (4), welcher bzw. welches stirnseitig von einer eingangsseitigen Endplatte (2.5) und einer ausgangsseitigen Endplatte (2.6) begrenzt ist, – mindestens zwei Medieneingängen (2.5.1, 2.6.1) und zwei Medienausgängen (2.5.2, 2.6.2), wobei ein Medieneingang (2.5.1) und ein Medienausgang (2.5.2) in der eingangsseitigen Endplatte (2.5) und ein weiterer Medieneingang (2.6.1) und ein weiterer Medienausgang (2.6.2) in der ausgangsseitigen Endplatte (2.6) angeordnet sind und jeweils mit den Endplatten (2.5, 2.6) ein einteiliges Bauteil bilden, – einer Befeuchterbypassleitung (2.2), über welche eine trockene Zuluft vom Medieneingang (2.5.1) zum weiteren Medienausgang (2.6.2) außerhalb des Befeuchterstapels (2.4) oder des Hohlfasermembran-Bündels (4) führbar ist, und – wenigstens einem Flüssigkeitsabscheider (2.8), welcher in der eingangsseitigen Endplatte (2.5) im Bereich des Medienausgangs (2.5.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – zusätzlich eine Systembypassleitung (2.3) vorgesehen ist, über welche die trockene Zuluft vom Medieneingang (2.5.1) zum Medienausgang (2.5.2) außerhalb des Befeuchterstapels (2.4) oder des Hohlfasermembran-Bündels (4) führbar ist, und – wobei der Medienausgang (2.5.2) mit einer Abgasleitung (2.1) verbunden ist.Humidifier device ( 2 ) for a fuel cell device ( 1 ) with - a humidifier stack ( 2.4 ) or a hollow fiber membrane bundle ( 4 ), which front side of an input-side end plate ( 2.5 ) and an output end plate ( 2.6 ), - at least two media entrances ( 2.5.1 . 2.6.1 ) and two media outlets ( 2.5.2 . 2.6.2 ), whereby a media input ( 2.5.1 ) and a media output ( 2.5.2 ) in the input end plate ( 2.5 ) and another media input ( 2.6.1 ) and another media output ( 2.6.2 ) in the output end plate ( 2.6 ) are arranged and in each case with the end plates ( 2.5 . 2.6 ) form a one-piece component, - a humidifier bypass line ( 2.2 ), via which a dry supply air from the media input ( 2.5.1 ) to the further media output ( 2.6.2 ) outside the humidifier stack ( 2.4 ) or the hollow fiber membrane bundle ( 4 ), and - at least one liquid separator ( 2.8 ), which in the input-side end plate ( 2.5 ) in the area of the media outlet ( 2.5.2 ), characterized in that - additionally a system bypass line ( 2.3 ), via which the dry supply air from the media input ( 2.5.1 ) to the media output ( 2.5.2 ) outside the humidifier stack ( 2.4 ) or the hollow fiber membrane bundle ( 4 ), and - wherein the media outlet ( 2.5.2 ) with an exhaust pipe ( 2.1 ) connected is. Befeuchtervorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der eingangsseitigen Endplatte (2.5) verlaufender Abschnitt der Befeuchterbypassleitung (2.2) sowie die Systembypassleitung (2.3) einteilig mit der eingangsseitigen Endplatte (2.5) ausgebildet sind.Humidifier device ( 2 ) according to claim 1, characterized in that a in the input-side end plate ( 2.5 ) extending portion of the humidifier bypass line ( 2.2 ) as well as the system bypass line ( 2.3 ) in one piece with the input-side end plate ( 2.5 ) are formed. Befeuchtervorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schließen und Öffnen der Bypassleitungen (2.2, 2.3) jeweils ein Stellelement (2.2.1, 2.3.1) vorgesehen ist.Humidifier device ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that for closing and opening the bypass lines ( 2.2 . 2.3 ) one actuating element each ( 2.2.1 . 2.3.1 ) is provided. Befeuchtervorrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellelemente (2.2.1, 2.3.1) jeweils als Drosselklappe ausgebildet sind.Humidifier device ( 2 ) according to claim 3, characterized in that the adjusting elements ( 2.2.1 . 2.3.1 ) are each formed as a throttle valve. Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend – mindestens einen Brennstoffzellenstapel (1.1) mit einem Anodenraum (1.1.1) und einem Kathodenraum (1.1.2) und – mindestens eine Befeuchtervorrichtung (2) gemäß einem der vorherhergehenden Ansprüche.Fuel cell device ( 1 ), comprising - at least one fuel cell stack ( 1.1 ) with an anode space ( 1.1.1 ) and a cathode compartment ( 1.1.2 ) and - at least one humidifying device ( 2 ) according to one of the preceding claims. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Medienausgang (2.6.2) über eine Zuluftleitung (1.2) mit dem Kathodenraum (1.1.2) verbunden ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the further media outlet ( 2.6.2 ) via an air supply line ( 1.2 ) with the cathode space ( 1.1.2 ) connected is. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass – dem Medieneingang (2.5.1) trockene Zuluft zuführbar ist und – dem weiteren Medieneingang (2.6.1) feuchte Abluft aus dem Kathodenraum (1.1.2) zuführbar ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 5 or 6, characterized in that - the media input ( 2.5.1 ) dry supply air can be supplied and - the further media input ( 2.6.1 ) moist exhaust air from the cathode compartment ( 1.1.2 ) can be fed.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2014205574A1 (en) 2013-06-27 2014-12-31 Dana Canada Corporation Integrated gas management device for a fuel cell system

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