DE102016113740A1

DE102016113740A1 - Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit diesem Konditionierungsmodul

Info

Publication number: DE102016113740A1
Application number: DE102016113740.5A
Authority: DE
Inventors: Viktor Damert; Rune Staeck; Oliver Berger
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Konditionierungsmodul (40) für ein Betriebsmedium, insbesondere ein Anodenbetriebsmedium oder Kathodenbetriebsmedium, eines Brennstoffzellenstapels (10). Das Konditionierungsmodul (40) ist eine Kombination von Wärmeübertrager, insbesondere Kühler, und Befeuchter mit besonders geringem Bauraumbedarf bei gleichzeitig hohem möglichen Durchsatz. Hierzu ist der Wärmeübertrager in einem ersten Volumen (42) und der Befeuchter in einem zweiten Volumen (43) angeordnet, wobei diese Volumen (42, 43) räumlich ineinander liegen. Mit anderen Worten ist in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine erste Querschnittfläche (45) von einem von dem ersten und dem zweiten Volumen innerhalb einer zweiten Querschnittfläche (46) von dem anderen von dem ersten und dem zweiten Volumen angeordnet. Bevorzugt sind das erste (42) und zweite Volumen (43) konzentrische Zylinder.

Description

Die Erfindung betrifft ein Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium, insbesondere für das Kathodenbetriebsmedium, eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Konditionierungsmodul. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Konditionierungsmodul beziehungsweise einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) auf. Diese wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran 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 ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^– unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren. An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher.
Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (1/2O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (2H⁺ + O^2– → H₂O).
Um einen Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Das Brennstoffzellensystem weist einen Befeuchter zum Befeuchten eines trockenen Kathodenbetriebsmediums (Zuluft) auf, mittels dem Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas (Abluft) an das Kathodenbetriebsmedium übertragen wird. Das Befeuchten ist notwendig, um eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der Brennstoffzelle, insbesondere deren Membran-Elektroden-Anordnung, zu gewährleisten. Ferner wird das trockene Kathoden-Betriebsmedium zur Steigerung der Leistungsdichte stromaufwärts des Befeuchters auf einen Druck von ca. 3 Bar komprimiert. Hierdurch steigt dessen Temperatur auf ca. 200°C an.
Die in üblichen Befeuchtern zur Feuchtigkeitsübertragung eingesetzten Polymer-Membranen sind nur bis zu einer Temperatur von etwa 100°C einsetzbar. Daher muss das Kathodenbetriebsmedium gekühlt werden, bevor es dem Befeuchter zugeführt wird. Hierfür werden in der Regel Ladeluftkühler eingesetzt, welche mittels eines Kühlmittels Wärme aus dem Kathodenbetriebsmedium aufnehmen und über einen Kühler an die Umgebung abgeben. Somit ergibt sich ein hoher Bauraumbedarf, der insbesondere für mobile Anwendungen nachteilig ist.
Es sind daher bereits Versuche unternommen worden, die Anordnung von Befeuchter und Ladeluftkühler zu optimieren oder beide Bauteile in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren. Bislang konnten jedoch lediglich geringe Einsparungen beim Bauraum erzielt werden bei gleichzeitig deutlich erhöhter Komplexität der kombinierten Bauteile. Die kombinierten Bauteile weisen zudem hohe thermische Massen auf, was sich nachteilig auf die Dynamik des Brennstoffzellensystems auswirkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen kombinierten Befeuchter und Ladeluftkühler für ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, um eine ausreichende Befeuchtung und Kühlung eines Betriebsmediums eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten. Gleichzeitig sollen der Bauraumbedarf, die Komplexität und die Fertigungskosten des kombinierten Bauteils möglichst gering sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Konditionierungsmodul, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels mit einem Gaseinlass für das Betriebsmedium und einem durchströmbaren, als Wärmeübertrager ausgebildeten und stromabwärts des Gaseinlasses angeordneten ersten Volumen. Stromabwärts des ersten Volumens, das heißt stromabwärts in Strömungsrichtung des Betriebsmedium, ist ein durchströmbares, als Befeuchter ausgebildetes zweites Volumen angeordnet. Stromabwärts des zweiten Volumens ist ein Gasauslass für das konditionierte Betriebsmedium vorgesehen. In einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls ist eine erste Querschnittfläche, das heißt eine Querschnittfläche von dem ersten Volumen oder dem zweiten Volumen, innerhalb einer zweiten Querschnittfläche, das heißt innerhalb der Querschnittfläche von dem anderen Volumen, von dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen, angeordnet. Bevorzugt ist die erste Querschnittfläche vollständig innerhalb der zweiten Querschnittfläche angeordnet. Bei dem Betriebsmedium handelt es sich insbesondere um ein Anodenbetriebsmedium oder um ein Kathodenbetriebsmedium.
Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist mit anderen Worten eine Kombination von Wärmeübertrager und Befeuchter, wobei eine dieser beiden Komponenten räumlich innerhalb der anderen Komponente angeordnet ist. Die Komponenten sind dabei derart angeordnet, dass ein in das Konditionierungsmodul eingeleitetes Betriebsmedium stets zuerst das als Wärmeübertrager ausgebildete erste Volumen durchströmt, bevor es in das als Befeuchter ausgebildete zweite Volumen gelangt. In einem gemeinsamen Querschnitt des Konditionierungsmoduls weist eines von dem ersten und dem zweiten Volumen eine erste Querschnittfläche und das jeweils andere eine zweite Querschnittfläche auf. Mit anderen Worten ist die Querschnittfläche des innenliegenden Volumens, beispielsweise des ersten Volumens, im Querschnitt des Konditionierungsmoduls allseitig von der Querschnittfläche des außenliegenden Volumens, beispielsweise des zweiten Volumens, umgeben. Somit werden eine besonders kompakte Bauform und eine besonders geringe thermische Masse des Konditionierungsmoduls realisiert. Der Umfang der zweiten Querschnittsfläche kann identisch zu einer Oberfläche, beispielsweise einer Gehäuseoberfläche, des Konditionierungsmoduls sein. Alternativ sind das erste und das zweite Volumen in einem separaten Gehäuse des Konditionierungsmoduls angeordnet.
Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist vorteilhaft modular aufgebaut. Beispielsweise kann das innenliegende Volumen, beispielsweise das zweite Volumen, in eine entsprechende Öffnung des außenliegenden Volumens, beispielsweise des ersten Volumens, eingeschoben werden. Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist daher besonders einfach zu fertigen. Ferner weist ein erfindungsgemäßes Konditionierungsmodul mit einem bestimmten Gesamtvolumen eine besonders große Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen, das heißt zwischen Wärmeübertrager und Befeuchter, auf. Das Konditionierungsmodul kann daher selbst bei geringer Baugröße für einen hohen Durchsatz an Betriebsmedium ausgelegt werden.
Das erste Volumen des Konditionierungsmoduls ist bevorzugt als Wärmeübertrager ausgebildet, indem es zumindest eine, besonders bevorzugt eine Vielzahl von darin angeordneten Wärmeübertragerflächen aufweist. Über diese erfolgt bevorzugt ein Wärmeübergang von dem Betriebsmedium auf ein anderes Medium. Das zweite Volumen ist bevorzugt als Befeuchter ausgebildet, indem es zumindest eine, bevorzugt eine Vielzahl darin angeordneter Feuchteübertragerflächen aufweist. Über diese wird Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, in das Betriebsmedium eingebracht. Zwischen dem ersten und zweiten Volumen können eine oder mehrere Begrenzungsflächen angeordnet sein, die für das Betriebsmedium durchlässig sind, beispielsweise indem sie eine oder mehrere Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium aufweisen. Alternativ gehen erstes und zweites Volumen ohne physische Grenzfläche ineinander über.
Die in dem ersten Volumen angeordneten Wärmeübertragerelemente sind bevorzugt dafür ausgebildet, von einem Kühlmittel durchflossen zu werden und weisen hierfür insbesondere einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass auf. Die dem ersten Volumen zugewandten Oberflächen der Wärmeübertragerelemente bilden Wärmeübertragerflächen, über die Wärme von dem Betriebsmedium auf das Kühlmittel übergeht. Bei den Wärmeübertragerelementen handelt es sich besonders bevorzugt um Rohre eines Rohrbündelwärmeübertragers oder um Platten eines Plattenwärmeübertragers. Ein Konditionierungsmodul gemäß dieser Ausgestaltung ist einfach in bestehende Kühlmittelkreisläufe des Brennstoffzellensystems oder eines Fahrzeugs integrierbar, indem Kühlmitteleinlass und -auslass mit einem bestehenden Kühlmittelkreislauf verbunden werden.
Die in dem zweiten Volumen angeordneten Befeuchterelemente sind bevorzugt dafür ausgelegt, Wasser oder Wasserdampf zu führen, also ein Fluid zu führen, das Wasser oder Wasserdampf enthält. Die Befeuchterelemente sind zumindest mit einem Fluideinlass verbunden, über welchem den Befeuchterelementen das wasser- oder wasserdampfhaltige Fluid zugeführt wird. Besonders bevorzugt sind die Befeuchterelemente zudem mit einem Fluidauslass verbunden, über den das wasser- oder wasserdampfhaltige Fluid nach dem Feuchtigkeitsübergang auf das Betriebsmedium aus dem zweiten Volumen abgeführt wird. Die dem zweiten Volumen zugewandten Oberflächen der Befeuchterelemente bilden bevorzugt Feuchteübertragerflächen, über die Feuchtigkeit in das Betriebsmedium eingebracht wird.
Bei den Befeuchterelementen handelt es sich besonders bevorzugt um wasserdurchlässige und/oder wasserdampfdurchlässige Membranen, insbesondere in Form von Hohlfasermembranen. Das zweite Volumen ist somit bevorzugt als Hohlfaserbefeuchter, wie aus der US 7624971 B2 bekannt, ausgebildet. Die Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Volumen beziehungsweise Durchgangsöffnungen in einer diese Volumen trennenden Begrenzungsfläche bilden dabei die Zuleitung für das zu befeuchtende Betriebsmedium. Der Gasauslass des Konditionierungsmoduls bildet die Ableitung für das befeuchtete Betriebsmedium. Prinzipiell können auch andere Befeuchtungselemente zum Einsatz kommen, beispielsweise in dem zweiten Volumen angeordnete Sprühdüsen, Tropfleitungen oder mit einem Feuchtigkeitsreservoir in Verbindung stehende Dochtelemente mit Kapillarwirkung.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls weist dieses eine Zylinderform, besonders bevorzugt eine längserstreckte Zylinderform, auf. Unter einer Zylinderform wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Körper verstanden, der durch das Verschieben einer ebenen geschlossenen Kurve entlang einer nicht in der Ebene dieser Kurve enthaltenen Geraden (Höhe) erhalten wird. Die ebene Kurve kann dabei den Umfang eines Kreises, einer Ellipse, eines Rechtecks, eines Quadrats, eines Dreiecks, eines Vielecks, eines Prismas und/oder eines Trapez beschreiben. Diese Form bildet dann die Grundfläche der Zylinderform. Die durch Verschieben der Grundfläche überstrichene Fläche ist die Mantelfläche der Zylinderform. Besonders bevorzugt sind auch das erste Volumen und das zweite Volumen Zylindervolumen. Vorteilhaft ist ein so geformtes Konditionierungsmodul einfach in der Herstellung und gut in bestehende Bauraumaufteilungen integrierbar. Zudem kann bei kurzem Strömungsweg des Betriebsmediums von Gaseinlass zu Gasauslass eine vergleichsweise große Kontaktfläche zu den Befeuchterelementen und/oder Wärmeübertragerelementen realisiert sein.
Besonders bevorzugt sind die erste Querschnittfläche und die zweite Querschnittfläche des Konditionierungsmoduls konzentrisch zueinander. Eine Querschnittfläche eines Gehäuses des Konditionierungsmoduls ist bevorzugt identisch oder ebenfalls konzentrisch zur zweiten Querschnittfläche. Die Konzentrizität der ersten und zweiten Querschnittfläche erlaubt vorteilhaft ein gleichmäßiges Abkühlen und Befeuchten des Betriebsmediums im gesamten Volumen des Konditionierungsmoduls. Ferner bevorzugt ist der Gaseinlass oder der Gasauslass an einem Mittelpunkt oder nahe eines Mittelpunkts einer der konzentrischen Querschnittflächen angeordnet, was ebenfalls zu einer gleichmäßigen Befeuchtung und Abkühlung des Betriebsmediums beiträgt.
Ferner bevorzugt weist das Konditionierungsmodul ein als Gasverteiler ausgebildetes und stromaufwärts des ersten Volumens angeordnetes, durchströmbares drittes Volumen auf. In einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls ist eine dritte Querschnittfläche von dem dritten Volumen innerhalb der ersten Querschnittfläche und innerhalb der zweiten Querschnittfläche angeordnet. Das Konditionierungsmodul weist somit ein innenliegendes Volumen ohne darin angeordnete Wärmeübertrager- oder Befeuchterelemente zum Verteilen des Betriebsmediums über die gesamte Höhe eines, insbesondere zylinderförmigen, Konditionierungsmoduls auf. Besonders bevorzugt ist der Gasverteiler als ein innenliegendes Zylindervolumen ausgebildet, das durch eine Mantelfläche vom stromabwärts angeordneten ersten Volumen getrennt ist, wobei die Mantelfläche eine Vielzahl von Öffnungen und bevorzugt eine zu der ersten und zweiten Querschnittfläche konzentrische Querschnittfläche aufweist. Bevorzugt vergrößern sich die Öffnungen in Strömungsrichtung des Betriebsmediums, um einen Druckabfall auszugleichen.
Alternativ bevorzugt ist das dritte Volumen als Gassammler ausgebildet, stromabwärts des zweiten Volumens angeordnet und zum Sammeln des aus dem zweiten Volumen austretenden konditionierten Betriebsmediums und für dessen Weiterleitung zu dem Gasauslass ausgebildet. Bevorzugt ist der Gaseinlass des Konditionierungsmoduls in dem Bereich des Gasverteilers oder der Gasauslass des Konditionierungsmoduls im Bereich des Gassammlers angeordnet.
Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul weist ebenfalls bevorzugt eine Vielzahl von auf einer Oberfläche des Konditionierungsmoduls angeordneten Gaseinlässen oder Gasauslässen auf. Auch hiermit kann die Regelmäßigkeit von Abkühlung und Befeuchtung des Betriebsmediums sowie dessen Durchsatz durch das Konditionierungsmodul erhöht werden. Insbesondere in Kombination mit einem korrespondierenden, an oder nahe eines Mittelpunkts der konzentrischen ersten und zweiten Querschnittsfläche angeordneten Gaseinlass oder Gasauslass kann eine allseitig gleichmäßige Strömung des Betriebsmediums eingestellt werden.
Besonders bevorzugt sind das erste Volumen und das zweite Volumen des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls durch zueinander konzentrische Kreiszylinder gebildet. In dieser Ausführungsform als tubulares Konditionierungsmodul wird ein optimales Verhältnis von Oberfläche und Volumen des Moduls und somit ein besonders geringer Bauraumbedarf erzielt. Ein Gaseinlass oder Gasauslass ist in dieser Ausführungsform nahe oder am Mittelpunkt einer Stirn- oder Grundfläche der konzentrischen Zylinder angeordnet. Der korrespondierende Gasauslass oder Gaseinlass ist auf der Mantelfläche des bevorzugt ebenfalls kreiszylinderförmigen Konditionierungsmoduls angeordnet, die identisch oder konzentrisch zur Mantelfläche des außenliegenden Volumens ist. Bevorzugt weist das Konditionierungsmodul in dieser Ausführungsform ein drittes Volumen auf, das durch einen zu dem ersten und zweiten Volumen konzentrischen Kreiszylinder gebildet ist. Beispielsweise kann durch die Kombination eines als Gasverteiler ausgebildeten dritten Volumens, wie obenstehend beschrieben, und einer Vielzahl auf der Mantelfläche des außenliegenden Volumens angeordneten Gasauslässen eine besonders gleichmäßige in alle radialen Richtungen erfolgende Durchströmung des Konditionierungsmoduls erzielt werden. Die kreisförmige erste und zweite Querschnittfläche des tubularen Konditionierungsmoduls erlauben zudem eine ganzflächig gleichmäßige und somit optimale Packungsdichte von kreiszylinderförmigen Hohlfasern beziehungsweise rohrförmigen Wärmeübertragerelementen. Das Volumen des Konditionierungsmoduls ist so optimal genutzt.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad und einem Anodenabgaspfad und eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad und zumindest ein in der Anodenversorgung beziehungsweise der Kathodenversorgung angeordnetes Konditionierungsmodul, wie vorstehend beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist das Konditionierungsmodul in der Kathodenversorgung angeordnet und weist einen Gaseinlass für ein Kathodenbetriebsmedium und einen Gasauslass für das konditionierte Kathodenbetriebsmedium auf.
In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist das Konditionierungsmodul in dem ersten Volumen angeordnete Wärmeübertragerelemente auf, die mit einem Kühlmitteleinlass für ein Kathodenabgas fluidführend verbunden sind. Mit anderen Worten ist der Kühlmitteleinlass mit der Kathodenabgasleitung des Brennstoffzellensystems verbunden, sodass die Wärmeübertragerelemente von dem Kathodenabgas als Kühlmittel durchströmt werden. Bei den Wärmeübertragerelementen handelt es sich bevorzugt um Wärmeübertragerplatten oder Wärmeübertragerrohre. Ebenfalls bevorzugt weist das Konditionierungsmodul in dem zweiten Volumen angeordnete Befeuchterelemente auf, die mit einem Fluideinlass für das Kathodenabgas fluidführend verbunden sind. Mit anderen Worten werden die Befeuchterelemente von dem Kathodenabgas als wasser- oder wasserdampfbeladenes Fluid und Feuchtigkeitslieferant durchströmt. Bei den Befeuchterelementen handelt es sich bevorzugt um Hohlfasermembranen eines Hohlfaserbefeuchters. In dieser Ausführungsform ist das Konditionierungsmodul besonders einfach in bestehende Brennstoffzellensysteme integrierbar, wobei das Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels vorteilhaft in räumlich voneinander getrennten Bereichen zunächst zum Kühlen und anschließend zum Befeuchten des Betriebsmediums genutzt wird.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Konditionierungsmodul, wie vorstehend beschrieben, beziehungsweise mit einem Brennstoffzellensystem, wie vorstehend beschrieben.
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 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform; und
5 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer vierten Ausführungsform.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik. Dieses ist Teil eines nicht weiter dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs, 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, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können.
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 einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional sind Gasdiffusionslagen zwischen den MEA 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 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 erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems wie dargestellt eine Rezirkulationsleitung 25 auf, 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 Rezirkulationsleitung ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 ein Wasserabscheider 28 innerhalb des Rezirkulationskreislaufs verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser abzuleiten.
In der Anodenabgasleitung 22 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 ist stromabwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein zweites Stellmittel 26 angeordnet. Mit dem zweiten Stellmittel 26 kann ein Rezirkulationskreislauf von der Umgebung isoliert werden. Das erste und zweite Stellmittel 24, 26 können gemeinsam dazu genutzt werden, ein Ausströmen des Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen 12 weitgehend zu unterbinden.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 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 den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 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 in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Konditionierungsmodul 40 auf. Das Konditionierungsmodul 40 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Hierfür weist das Konditionierungsmodul einen Gaseinlass und einen Gasauslass auf. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 weist ferner ein in einer Bypass-Leitung angeordnetes Bypass-Ventil 37 auf, welches das Konditionierungsmodul 40 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass das Konditionierungsmodul 40 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Das Bypass-Ventil 37 dient der Steuerung der Menge des das Konditionierungsmodul 40 umgehenden Kathodenbetriebsmediums.
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.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Konditionierungsmodul 40 weist ein kreiszylinderförmiges innenliegendes erstes Volumen 42 auf, das umfänglich von einem kreiszylinderförmigen außenliegenden zweiten Volumen 43 umgeben ist. Das erste Volumen 42 weist somit eine erste Querschnittfläche 45 auf, die vollständig innerhalb einer zweiten Querschnittfläche 46 des zweiten Volumens 43 angeordnet ist. Das Konditionierungsmodul 40 weist ferner ein zentrales kreiszylinderförmiges drittes Volumen 49 auf, dessen dritte Querschnittfläche 50 innerhalb der ersten Querschnittfläche 45 und der zweiten Querschnittfläche 46 angeordnet ist. Das erste 42, zweite 43 und dritte Volumen 44 sind konzentrische Kreiszylindervolumen.
Ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere ein durch den Verdichter 33 komprimiertes und erhitztes Kathodenbetriebsmedium, wird über einen Gaseinlass 41 in das Konditionierungsmodul 40 eingeleitet. Der Gaseinlass 41 entspricht der Stirnfläche des als Gasverteiler ausgebildeten dritten Volumens 49. Das dritte Volumen 49 erstreckt sich als kreiszylinderförmiges Rohr durch die gesamte Höhe des Konditionierungsmoduls 40 und weist an seiner Mantelfläche eine Vielzahl von nicht dargestellten Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium auf. Durch diesen Gasverteiler strömt das Betriebsmedium entlang der gesamten Höhe des Konditionierungsmoduls 40 gleichmäßig in radialer Richtung in das an das dritte Volumen 49 stromabwärts angrenzende erste Volumen 42 ein.
Das erste Volumen 42 ist als Wärmeübertrager, insbesondere als Kühler, ausgebildet und weist eine Vielzahl von in dem ersten Volumen 42 angeordneten Wärmeübertragerelementen 47 auf. Dabei handelt es sich um in axialer Richtung erstreckte und in radialer Richtung orientierte, umfänglich gleichmäßig in dem ersten Volumen verteilte Wärmeübertragerplatten 47. Die Wärmeübertragerplatten 47 werden von einem Kühlmittel, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere von einem Kathodenabgas, durchströmt. Hierzu weist das Konditionierungsmodul 40 einen Kühlmitteleinlass und einen stromabwärts davon angeordneten nicht dargestellten ersten Kühlmittelverteilerbereich auf, der sich an die in 2 dargestellte Stirnseite des ersten Volumens 42 anschließt und das Kathodenabgas den Wärmeübertragerelementen 47 zuführt. Ferner weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten zweiten Kühlmittelverteilerbereich auf, der sich an die in 2 nicht dargestellte Stirnseite des ersten Volumen 42 anschließt und das Kathodenabgas über den stromabwärts folgenden Kühlmittelauslass aus den Wärmeübertragerelementen 47 und dem Konditionierungsmodul 40 abführt.
Das über den Gasverteiler 49 in das erste Volumen 42 radial eingeströmte Betriebsmedium strömt entlang der Wärmeübertragerelemente 47 radial nach außen. Dabei gibt das Betriebsmedium an den zwei Wärmeübertragerflächen jeder Wärmeübertragerplatte 47 Wärme an das Kathodenabgas als Kühlmittel ab. Die Wärmeübertragerplatten 47 sind an einer Mantelfläche des ersten Volumens 42 befestigt, welche zudem eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium aufweist. Durch diese nicht dargestellten Öffnungen strömt das Betriebsmedium in radialer Richtung in das zweite Volumen 43 ein.
Das zweite Volumen 43 ist als Befeuchter ausgebildet und weist eine Vielzahl darin angeordneter Befeuchterelemente 48 auf. Dabei handelt es sich um axial erstreckte Hohlfasermembranen 48. Die Hohlfasermembranen werden von einem wasser- und/oder wasserdampfführenden Fluid, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere von einem Kathodenabgas, durchströmt. Hierzu weist das Konditionierungsmodul 40 einen Fluideinlass und einen stromabwärts davon angeordneten nicht dargestellten ersten Fluidverteilerbereich auf, der sich an die in 2 dargestellte Stirnseite des zweiten Volumens 43 anschließt und das Kathodenabgas den Hohlfasermembranen 48 zuführt. Ferner weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten zweiten Fluidverteilerbereich auf, der sich an die in 2 nicht dargestellte Stirnseite des zweiten Volumens 43 anschließt und das Kathodenabgas über den stromabwärts folgenden Fluidauslass aus den Hohlfasermembranen 48 und dem Konditionierungsmodul 40 abführt.
Das über die Mantelfläche des ersten Volumens 42 in das zweite Volumen 43 eingeströmte Betriebsmedium umströmt die Hohlfasermembranen 48 und strömt radial nach außen. Dabei nimmt das Betriebsmedium an den als Feuchteübertragerflächen ausgebildeten Mantelflächen der Hohlfasermembranen 48 Feuchtigkeit aus dem diese durchströmenden Fluid auf. Insbesondere werden die Mantelflächen der Membranen 48 von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsmedium (Luft) überströmt, während die Innenseiten der Hohlfasermembrane 48 von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas) überströmt werden. Getrieben durch den höheren Partialdruck des Wasserdampfs in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membrane 48 in das Kathodenbetriebsgas, das somit befeuchtet wird. Die Hohlfasermembranen 48 sind an oder in den nicht dargestellten Fluidverteilerbereichen befestigt.
Das in dem ersten Volumen 42 gekühlte und in dem zweiten Volumen 43 befeuchtete und somit konditionierte Betriebsmedium tritt schließlich über einen in der Mantelfläche des zweiten Volumens 43, die gleich der Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 ist, angeordneten Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 aus. Wie der 1 zu entnehmen, wird das derart konditionierte Kathodenbetriebsmedium dem stromabwärts des Konditionierungsmoduls 40 angeordneten Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Die Strömung des Betriebsmediums in das, in dem und aus dem Konditionierungsmodul 40 ist durch Pfeile angedeutet.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Konditionierungsmodul 40 weist ein kreiszylinderförmiges innenliegendes zweites Volumen 43 auf, das umfänglich von einem kreiszylinderförmigen außenliegenden ersten Volumen 42 umgeben ist. Das zweite Volumen 43 weist somit eine erste Querschnittfläche 45 auf, die vollständig innerhalb einer zweiten Querschnittfläche 46 des ersten Volumens 42 angeordnet ist. Das Konditionierungsmodul 40 weist ferner ein zentrales kreiszylinderförmiges drittes Volumen 49 auf, dessen dritte Querschnittfläche 50 innerhalb der ersten Querschnittfläche 45 und der zweiten Querschnittfläche 46 angeordnet ist. Das erste 42, zweite 43 und dritte 49 Volumen sind konzentrische Kreiszylindervolumen. Zu der in 2 dargestellten Ausführungsform identische Komponenten des in 3 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie diese auf und sind nicht erneut beschrieben.
Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls 40 strömt das Betriebsmedium über einen in der Mantelfläche des ersten Volumens 42, die gleichzeitig die Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 ist, angeordneten Gaseinlass 41 radial nach innen in das erste Volumen 42 ein. Dieses weist wiederum in axialer Richtung längserstreckte, in radialer Richtung orientierte und wie oben beschrieben kühlmitteldurchflossene Wärmeübertragerplatten 47 auf, entlang derer das Betriebsmedium radial nach innen strömt und dabei abgekühlt wird.
Das in dem ersten Volumen 42 gekühlte Betriebsmedium strömt anschließend über eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen in einer Mantelfläche des zweiten Volumens 43 radial nach innen in dieses ein. In dem zweiten Volumen 43 sind wiederum Hohlfasermembranen 48 angeordnet, die das bereits gekühlte Betriebsmedium umströmt und dabei Feuchtigkeit aufnimmt. Das konditionierte Betriebsmedium strömt anschließend radial nach innen und über eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen in einer Mantelfläche des dritten Volumens 49 in dieses ein. Das dritte Volumen 49 ist dabei als Gassammler ausgelegt und leitet das konditionierte Betriebsmedium über einen stromabwärts gelegenen Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 ab.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer dritten Ausführungsform. In Hinblick auf die relative Anordnung von erstem Volumen 42 und zweitem Volumen 43 entspricht das dargestellte Konditionierungsmodul 40 dem in 2 gezeigten. Zu diesem identische Komponenten des in 4 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie in 2 auf.
Im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Konditionierungsmodul 40 weist das in 4 dargestellte eine Vielzahl von in dem ersten Volumen 42 angeordneten Wärmeübertragerelementen 47 in Form von Wärmeübertragerrohren 47 eines Rohrbündelwärmeübertragers auf. Das erste Volumen 42 ist mittels der Wärmeübertragerflächen dieser Wärmeübertragerrohre 47 als Wärmeübertrager ausgebildet. Anders als bei dem in 2 gezeigten Konditionierungsmodul 40 ist in dem in 4 dargestellten Konditionierungsmodul 40 kein zentral innenliegendes drittes Volumen 49 als Gasverteiler angeordnet.
Stattdessen weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten ersten Verteilerbereich auf, der sich an die dargestellte Stirnseite des ersten Volumens 42 anschließt. Dieser erste Verteilerbereich dient dabei sowohl der Zuführung des Betriebsmediums zu dem ersten Gaseinlass 41 und dem ersten Volumen 42 als auch der Zuführung des Kühlmittels zu den Wärmeübertragerrohren 47. Hierfür weist der erste Verteilerbereich bevorzugt getrennte Unterbereiche auf, die beispielsweise in Längsrichtung des zylinderförmigen Konditionierungsmoduls 40 hintereinander angeordnet sind. Hierfür können die Wärmeübertragerrohre 47 in Längsrichtung des Konditionierungsmoduls 40 über die dargestellte Stirnfläche des ersten Volumens 42 hinaus und in einen dieser Unterbereiche hineinragen.
Das zugeführte Betriebsmedium strömt von dem Gaseinlass 41 in das erste Volumen 42 und breitet sich darin in axialer und radialer Richtung aus. Das im ersten Volumen 42 gekühlte Betriebsmedium tritt schließlich über die Mantelfläche des ersten Volumens 42 in das zweite Volumen 43 ein, in dem es mittels der darin angeordneten Befeuchterelemente 47 befeuchtet wird. Schließlich tritt das konditionierte Betriebsmedium nahe der in 4 nicht dargestellten Stirnfläche des Konditionierungsmoduls 40 über den in der Mantelfläche des zweiten Volumens beziehungsweise in der Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 angeordneten Gasauslass 44 aus diesem aus.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer vierten Ausführungsform. In Hinblick auf die relative Anordnung von erstem Volumen 42 und zweitem Volumen 43 entspricht das dargestellte Konditionierungsmodul 40 dem in 3 gezeigten. Zu diesem identische Komponenten des in 5 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie in 2 auf und werden nicht erneut erläutert.
Auch gemäß dieser Ausführungsform weist das erste Volumen 42 Wärmeübertragerelemente 47 in Form von Wärmeübertragerrohren 47 eines Rohrbündelwärmeübertragers auf. Diesen wird ein Kühlmittel, beispielsweise Kathodenabgas, über einen nicht dargestellten ersten Verteilerbereich zugeführt, der sich an die in 5 dargestellte Stirnfläche des ersten Volumens 42 anschließt. Das Betriebsmedium wird dem Konditionierungsmodul 40 über den in dessen Mantelfläche 51 angeordneten Gaseinlass 41 eingeleitet, durchströmt darin in axialer und entgegen der radialen Richtung das erste Volumen 42 und das zweite Volumen 43 und tritt über ein als Gassammler ausgebildetes drittes Volumen 49 und den Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 aus. Dem zweiten Volumen wird ein wasser- oder wasserdampfbeladenes Fluid über einen zweiten Verteilerbereich zugeordnet, der sich an die dargestellte Stirnfläche des zweiten Volumens 43 anschließt.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungsleitung
22: Anodenabgasleitung
23: Brennstofftank
24: Erstes Stellmittel
25: Rezirkulationsleitung
26: Zweites Stellmittel
27: Rezirkulationsfördereinrichtung
28: Wasserabscheider
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungsleitung
32: Kathodenabgasleitung
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Expansionsvorrichtung/Turbine/Regelklappe
37: Bypassleitung
38: Bypassventil
40: Konditionierungsmodul
41: Gaseinlass
42: erstes Volumen
43: zweites Volumen
44: Gasauslass
45: erste Querschnittfläche
46: zweite Querschnittfläche
47: Wärmeübertragerelemente
48: Befeuchterelemente
49: drittes Volumen
50: dritte Querschnittfläche
51: Oberfläche des Konditionierungsmoduls

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

US 7624971 B2 [0018]

Claims

Konditionierungsmodul (40) für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels (10), aufweisend: einen Gaseinlass (41) für das Betriebsmedium; ein durchströmbares, als Wärmeübertrager ausgebildetes und stromabwärts des Gaseinlasses (41) angeordnetes erstes Volumen (42); ein durchströmbares, als Befeuchter ausgebildetes und stromabwärts des ersten Volumens (42) angeordnetes zweites Volumen (43); und einen stromabwärts des zweiten durchströmbaren Volumens (43) angeordneten Gasauslass (44) für das konditionierte Betriebsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine erste Querschnittfläche (45) von einem von dem ersten Volumen (42) und dem zweiten Volumen (43) innerhalb einer zweiten Querschnittfläche (46) von dem anderen von dem ersten Volumen (42) und dem zweiten Volumen (43) angeordnet ist.
Konditionierungsmodul (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Volumen (42) kühlmitteldurchflossene und mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass verbundene Wärmeübertragerelemente (47) angeordnet sind und in dem zweiten Volumen (43) wasser- oder wasserdampfführende und zumindest mit einem Fluideinlass verbundene Befeuchterelemente (48) angeordnet sind.
Konditionierungsmodul (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (42) und das zweite Volumen (43) Zylindervolumen sind.
Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Querschnittfläche (45) und die zweite Querschnittfläche (46) konzentrisch zueinander sind und einer von dem Gaseinlass (41) und dem Gasauslass (44) nahe eines Mittelpunkts der konzentrischen Querschnittflächen (45, 46) angeordnet ist.
Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein als Gasverteiler ausgebildetes und stromaufwärts des ersten Volumens (42) angeordnetes oder als Gassammler ausgebildetes und stromabwärts des zweiten Volumens (43) angeordnetes, durchströmbares drittes Volumen (49), wobei in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine dritte Querschnittfläche (50) von dem dritten Volumen (49) innerhalb der ersten Querschnittfläche (45) und innerhalb der zweiten Querschnittfläche (46) angeordnet ist.
Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Gaseinlässen (41) oder Gasauslässen (44) auf einer Oberfläche (51) des Konditionierungsmoduls (40) angeordnet ist.
Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (42) und das zweite Volumen (43) durch zueinander konzentrische Kreiszylinder gebildet sind.
Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine Anodenversorgung (20) mit einem Anodenversorgungspfad (21) und einem Anodenabgaspfad (22) und eine Kathodenversorgung (30) mit einem Kathodenversorgungspfad (31) und einem Kathodenabgaspfad (32) und zumindest ein in der Anoden- und/oder Kathodenversorgung (20, 30) angeordnetes Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Kathodenversorgung (30) angeordnetes Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 einen Gaseinlass (41) für ein Kathodenbetriebsmedium und einen Gasauslass (44) für das konditionierte Kathodenbetriebsmedium und einen Kühlmitteleinlass und einen Fluideinlass für ein Kathodenabgas aufweist.
Fahrzeug mit einem Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 und 9.