DE102017201814A1

DE102017201814A1 - Strömungsplatte für einen Befeuchter

Info

Publication number: DE102017201814A1
Application number: DE102017201814.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Glück; Thomas Stöhr
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2017-08-10
Also published as: DE202016100670U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsplatte (2) für einen Befeuchter (1), der insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, für chemische Prozesse oder für HVAC-Anwendungen eingerichtet ist. Die Strömungsplatte (2 umfasst eine erste Plattenoberfläche (2a) mit ersten Kanalstrukturen (20) zur Gasführung, eine zweite Plattenoberfläche (2b) mit zweiten Kanalstrukturen (17) zur Gasführung und Durchgangsöffnungen (21, 22, 23, 24) zum Führen von Gas durch die Strömungsplatte (2). Die hier vorgeschlagene Strömungsplatte (2) ist gegenüber bekannten Strömungsplatten gekennzeichnet durch eine zumindest die ersten Kanalstrukturen (20) umlaufende Sicke (28) an der ersten Plattenoberfläche (2a) und durch eine zumindest die zweiten Kanalstrukturen (17) umlaufende Nut (25, 25a, 25b) an der zweiten Plattenoberfläche (2b).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsplatte für einen Befeuchter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Befeuchter mit einer Vielzahl von Strömungsplatten, die in einem Stapel angeordnet sind.
Elektrochemische Systeme wie Brennstoffzellen verwenden unter anderem Prozessgase, beispielsweise molekularen Wasserstoff und/oder Sauerstoff zur Stromerzeugung. Solche Brennstoffzellen verwenden üblicherweise Protonenaustauschmembranen (PEM). Im Betrieb erhitzt sich eine solche PEM auf etwa 80°C bis 90°C. Es ist für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie für die Haltbarkeit der PEM wichtig, dass bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit im Bereich der PEM möglichst den Betriebsbedingungen angepasste Verhältnisse herrschen. Insbesondere ein Austrocknen der PEM kann sich nachteilig auf die Haltbarkeit und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auswirken. Zur gezielten Einstellung des Feuchtegrades der der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgase ist es daher üblich, wenigstens einige dieser Prozessgase zu befeuchten, bevor sie der Brennstoffzelle zugeführt werden.
Neben Anwendungen im Bereich elektrochemischer Systeme finden Befeuchter zudem Anwendungen im Bereich der Aufbereitung von Prozessgasen beispielsweise in der chemischen Industrie sowie von Luft im Bereich der Gebäudetechnik und des Luftmanagements in Fahrzeugen, d.h. in einem Bereich der unter dem englischen Begriff Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC), also Heizung, Belüftung und Klimatisierung zusammengefasst wird.
Dazu werden üblicherweise Befeuchter mit einer Vielzahl von Strömungsplatten verwendet, wobei die Strömungsplatten typischerweise in einem Stapel angeordnet sind. Zwischen je zwei dieser gewöhnlich mit Kanalstrukturen versehenen Strömungsplatten ist normalerweise ein Wassertransfermedium angeordnet, typischerweise in Form einer wasserdurchlässigen Membran. Die wasserdurchlässige Membran wird auch als Transfermembran bezeichnet. Diese Transfermembran trennt einen in den Kanalstrukturen der ersten Strömungsplatte geführten trockenen bzw. zu befeuchtenden Gasstrom von einem in den Kanalstrukturen der zweiten Strömungsplatte geführten feuchten bzw. zu entfeuchtenden Gasstrom, wobei ein Feuchtigkeitsgrad des feuchten Gasstromes höher ist als ein Feuchtigkeitsgrad des trockenen Gasstromes. Über die Transfermembran findet dann ein Wassertransfer vom feuchten Gasstrom zum trockenen Gas statt, so dass sich die Feuchtigkeitsgrade der Gase beiderseits der Membran einander angleichen. Dadurch, dass die Transfermembran (zumindest bei einer Mindestbefeuchtung) im Wesentlichen gasdicht ist, kommt es in dem Befeuchter zu einer Annäherung des Feuchtigkeitsgrades der beiden Gase bzw. Gasströme, ohne dass es dabei zu einer Vermischung der Gase selbst kommt.
Aus der Gebrauchsmusterschrift DE202014006480U1 ist ein Befeuchter bekannt, bei dem die Strömungsplatten im Stapel z. B. miteinander verklebt sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass miteinander verklebte Strömungsplatten bei wechselnder Druckbelastung und bei wechselnden Temperaturen im Betrieb mitunter relativ zueinander verrutschen können. Dies kann die Stabilität des Stapels beeinträchtigen und die Effizienz des Feuchtigkeitstransfers im Befeuchter verringern.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsplatte für einen Befeuchter zu schaffen, die derart stapelbar ist, dass eine ausreichende Stabilität des Stapels auch im Betrieb des Befeuchters gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsplatte gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsausformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Strömungsplatte für einen Befeuchter, insbesondere für einen Befeuchter zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen. Die Strömungsplatte weist wenigstens eine erste Plattenoberfläche mit ersten Kanalstrukturen zur Gasführung, eine zweite Plattenoberfläche mit zweiten Kanalstrukturen zur Gasführung und Durchgangsöffnungen zum Führen von Gas durch die Strömungsplatte auf.
Gegenüber bekannten Strömungsplatten zeichnet sich die hier vorgeschlagene Strömungsplatte insbesondere durch eine zumindest die ersten Kanalstrukturen umlaufende Sicke an der ersten Plattenoberfläche und durch eine zumindest die zweiten Kanalstrukturen umlaufende Nut an der zweiten Plattenoberfläche aus.
Im Stapel kann z. B. die Sicke einer ersten Strömungsplatte wenigstens teilweise in der Nut einer der ersten Strömungsplatte unmittelbar benachbarten zweiten Strömungsplatte aufgenommen sein. Die Sicke und die Nut der Strömungsplatte sind also vorzugsweise derart ausgebildet und angeordnet, dass die Sicken und Nuten unmittelbar benachbarter Strömungsplatten des Stapels formschlüssig ineinander greifen. So kann ein Verrutschen der Strömungsplatten relativ zueinander oder ein Abgleiten der Strömungsplatten aneinander verhindert werden. Die Durchgangsöffnungen sind typischerweise derart angeordnet und ausgebildet, dass sie beim Stapeln einer Vielzahl von Strömungsplatten der hier vorgeschlagenen Art Leitungen zum Zu- und Abführen von Prozessgas in den Plattenstapel und/oder aus dem Plattenstapel bilden.
Die Nut kann als eine vom Rand der Strömungsplatte beabstandete Vollnut oder als eine den Rand der Strömungsplatte umfassende oder an den Rand der Strömungsplatte heranreichende Halbnut ausgebildet sein. Die Vollnut hat normalerweise einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt. Z. B. umfasst die Vollnut einen Nutgrund und zwei Nutflanken, die sich beiderseits des Nutgrundes an den Nutgrund anschließen. Dagegen hat die Halbnut normalerweise einen im Wesentlichen Z-förmigen Querschnitt, insbesondere einen abgeflachten, im Wesentlichen Z-förmigen Querschnitt. Z. B. weist die Halbnut typischerweise einen den Rand der Strömungsplatte umfassenden oder an den Rand der Strömungsplatte heranreichenden abgesenkten Abschnitt oder Grund sowie eine einzige Flanke auf. Die einzige Flanke der Halbnut verbindet den abgesenkten Abschnitt der Halbnut an der vom Rand der Strömungsplatte abgewandten Seite des abgesenkten Abschnittes mit dem nicht abgesenkten Bereich der zweiten Plattenoberfläche. Die Flanke der Halbnut schließt den abgesenkten Abschnitt der Halbnut also an den nicht abgesenkten Bereich der zweiten Plattenoberfläche an, letzterer bildet also einen Abschlussabschnitt der näherungsweisen Z-Form.
Vorteilhafterweise kann eine im Querschnitt im Wesentlichen U-förmige Vollsicke in einer Strömungsplatte mit einer Nut in einer unmittelbar benachbarten Strömungsplatte kombiniert werden, was zu einer besonders stabilen Verbindung führt. Eine Halbsicke in einer Strömungsplatte, die einen im Wesentlichen abgeflacht Z-förmigen Querschnitt aufweist, kann hingegen vorteilhafterweise mit einer Halbnut in einer unmittelbar benachbarten Strömungsplatte kombiniert werden, was zu einer besonders platzsparenden Verbindung führt. Durch eine um jeden Seitenrand zumindest abschnittsweise umlaufende Anordnung von Halbnut und Halbsicke kann auch hier eine sehr stabile und belastbare Verbindung und Abdichtung erzielt werden.
Die Strömungsplatte ist besonders einfach herstellbar, wenn die Sicke und die Nut einteilig mit der Strömungsplatte ausgebildet sind. Die Strömungsplatte kann aus einem Kunststoff gebildet sein oder einen Kunststoff umfassen. Beispielsweise kann die Strömungsplatte eine einkomponentige Spritzgussplatte sein. Es ist auch denkbar, dass die Strömungsplatte als Mehrkomponenten-Spritzgussplatte ausgebildet ist, z. B. als Zwei-Komponenten-Spritzgussplatte. Selbstverständlich kann die Platte auch durch Pressen, Prägen oder andere bekannte Formverfahren hergestellt werden.
Die Sicke und die Nut der Strömungsplatte können derart angeordnet sein, dass eine senkrechte Projektion der Nut auf die Planflächenebene der Strömungsplatte eine senkrechte Projektion der Sicke auf die Planflächenebene der Strömungsplatte umfasst. Analog können die Sicke und die Nut der Strömungsplatte derart angeordnet sein, dass eine senkrechte Projektion der Nut auf die Planflächenebene der Strömungsplatte zumindest abschnittsweise mit einer senkrechten Projektion der Sicke auf die Planflächenebene der Strömungsplatte zusammenfällt. Dies ermöglicht es insbesondere, die Sicken und Nuten bzw. Halbnuten einer Vielzahl baugleicher Strömungsplatten im Stapel paarweise formschlüssig miteinander in Eingriff zu bringen. Ein stabiler Stapel kann also aus einer Vielzahl baugleicher Strömungsplatten gebildet werden. Dies verringert die Herstellungskosten des Strömungsplattenstapels.
Die Sicke und die Nut oder Halbnut können derart ausgebildet sein, dass wenigstens ein von der Strömungsplatte abgewandter oberer Abschnitt der Sicke im Querschnitt wenigstens abschnittweise komplementär oder im Wesentlichen komplementär zu einem Querschnitt der Nut oder Halbnut ist. Typischerweise ist die Nut im Querschnitt etwas größer als die Sicke oder als der obere Abschnitt der Sicke bzw. der abfallende Bereich der Halbnut gegenüber dem abfallenden Bereich der Sicke etwas zum Schwerpunkt der Strömungsplatte hin verschoben, so dass zwischen der Außenseite oder Außenfläche eines in der Nut oder Halbnut einer ersten Strömungsplatte aufgenommenen Abschnitts einer Sicke einer benachbarten, baugleichen zweiten Strömungsplatte und der Innenseite oder Innenfläche der Nut bzw. Halbnut der ersten Strömungsplatte noch Raum zum Aufnehmen eines Klebstoffs oder zum Aufnehmen eines Randes einer Transfermembran oder eines Membranverbundes ist. Z. B. kann eine quer zum Verlauf der Nut bestimmte Breite der Nut um bis zu 5 Prozent, um bis zu 10 Prozent oder um bis zu 20 Prozent größer sein als eine quer zum Verlauf der Sicke bestimmte Breite der Sicke. Analog kann die Flanke der Halbnut gegenüber der Flanke der Sicke um 0,1 bis 0,7 mm zum vom Rand der Strömungsplatte abgewandten Innenbereich der Strömungsplatte hin verschoben sein, dieser Abstand dient auch der Aufnahme des Membranverbundes bzw. der Transfermembran. Durch eine derart komplementäre oder im Wesentlichen komplementäre Ausgestaltung von Sicke und Nut bzw. Halbnut ist gewährleistet, dass die Sicke der zweiten Strömungsplatte wenigstens teilweise formschlüssig in der Nut bzw. Halbnut der unmittelbar benachbarten, baugleichen ersten Strömungsplatte aufnehmbar ist. So wird verhindert, dass die gestapelten Strömungsplatten parallel zu ihren Planflächenebenen relativ zueinander verschiebbar sind. Dadurch wird die Stabilität des Stapels erhöht.
Die Sicke kann derart ausgebildet sein, dass sie sich im Querschnitt von der Strömungsplatte weg konisch verjüngt. Dies ist sowohl beim zum Inneren der Strömungsplatte weisenden Sickenschenkel einer Vollsicke als auch beim einzigen Sickenschenkel einer Halbsicke möglich. Ebenso kann die Nut derart ausgebildet sein, dass sie sich im Querschnitt zum Grund der Nut hin konisch verjüngt bzw. eine Halbnut so ausgestaltet sein, dass sie sich im Querschnitt zu ihrem abgesenkten Abschnitt hin konisch verjüngt. Dies vereinfacht das Aufnehmen der Sicke einer ersten Strömungsplatte in der Nut bzw. Halbnut einer der ersten Strömungsplatte im Stapel unmittelbar benachbarten, baugleichen zweiten Strömungsplatte.
Insbesondere kann ein Flankenwinkel β der Nut größer oder gleich einem Flankenwinkel α der Sicke sein. Gleiches gilt für den einen Flankenwinkel der Halbnut, der deshalb ebenfalls mit β bezeichnet wird. Der Flankenwinkel β der Nut oder Halbnut beträgt dabei vorzugsweise zwischen 5° und 50°, insbesondere zwischen 7° und 35°. Der Flankenwinkel α der Sicke beträgt vorzugsweise zwischen 2° und 45°, insbesondere zwischen 5° und 30°. Als Flankenwinkel soll dabei jeweils derjenige Winkel bezeichnet sein, den die Nutflanke oder die Nutflanken bzw. die Flanke der Halbnut bzw. die Sickenflanke oder die Sickenflanken mit einer Lotrichtung der Strömungsplatte einschließt, wobei die Lotrichtung der Strömungsplatte senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtet ist. Der Flankenwinkel β der Nut bzw. der Halbnut ebenso wie der Flankenwinkel α der Sicke können sich dabei sowohl umlaufend als auch entlang der jeweiligen Flanke ändern. Mit anderen Worten können die Sicke und die Nut oder die Halbnut derart ausgebildet sein, dass die Verjüngung der Nut zum Grund der Nut hin oder die Verjüngung der Halbnut zum abgesenkten Abschnitt der Halbnut hin flacher ist als die Verjüngung der Sicke zum Sickendach hin.
Die Sicke und die Nut oder Halbnut können derart ausgebildet sein, dass eine Tiefe der Nut oder Halbnut kleiner oder gleich einer Höhe der Sicke ist. Die Tiefe der Nut ebenso wie die Höhe der Sicke liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von > 0 µm bis 150 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 100 µm. So wird sichergestellt, dass sich zwischen zwei im Stapel unmittelbar benachbarten, baugleichen Strömungsplatten ein Raum zur Aufnahme eines Membranverbundes ausbilden kann, wenn die Sicke der ersten der beiden benachbarten Strömungsplatten in der Nut bzw. Halbnut der zweiten der beiden benachbarten Strömungsplatten aufgenommen ist.
Eine den zweiten Kanalstrukturen zugewandte Oberkante der Nut oder Halbnut kann abgerundet sein. Der Radius dieses abgerundeten Oberkantenabschnitts beträgt dabei vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,2 mm und 1 mm. Dies kann das Aufnehmen und das Verpressen des Randes einer Transfermembran oder eines Membranverbundes zwischen der am oberen Rand abgerundeten Nut oder Halbnut einer ersten Strömungsplatte und einer wenigstens teilweise in der Nut oder Halbnut der ersten Strömungsplatte aufgenommenen Sicke einer der ersten Strömungsplatte im Stapel unmittelbar benachbarten, baugleichen zweiten Strömungsplatte vereinfachen. Insbesondere kann der Rand der Transfermembran oder des Membranverbundes auf diese Weise zwischen Sicke und Nut oder Halbnut verpresst werden, ohne dass die Membran oder der Membranverbund durch eine scharfe Kante der Nut oder Halbnut an der Oberseite der Nut bzw. Halbnut beschädigt wird und ohne dass sich im Bereich der scharfen Kante zwischen der Membran oder dem Membranverbund und der Strömungsplatte aufgrund der ggf. eingeschränkten Elastizität und Flexibilität der Membran oder des Membranverbundes unerwünschte Zwischenräume ausbilden.
Die ersten Kanalstrukturen umfassen normalerweise eine Vielzahl von Kanälen und zwischen den Kanälen angeordnete Stege. Die erste Plattenoberfläche kann ferner eine erste Auflagefläche aufweisen, die sich an eine den ersten Kanalstrukturen zugewandte Flanke der Sicke anschließt. Typischerweise ist die erste Auflagefläche vollständig oder wenigstens bereichsweise eben ausgebildet und parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtet. Die erste Auflagefläche kann gegenüber einer Oberseite der Stege der ersten Kanalstrukturen erhöht sein. Ausgehend von der ersten Auflagefläche kann die erste Plattenoberfläche der Strömungsplatte also zu den ersten Kanalstrukturen oder zu den Oberseiten der Stege der ersten Kanalstrukturen hin abfallen. Die erste Auflagefläche dient der Aufnahme eines Randbereichs einer zwischen zwei benachbarten Strömungsplatten angeordneten Transfermembran oder eines Membranverbundes, der eine Transfermembran enthält.
Entsprechend umfassen die zweiten Kanalstrukturen normalerweise ebenfalls eine Vielzahl von Kanälen und zwischen den Kanälen angeordnete Stege. Die zweite Plattenoberfläche kann außerdem eine zweite Auflagefläche aufweisen, die sich an eine den zweiten Kanalstrukturen zugewandte Flanke der Nut bzw. der Nut anschließt. Typischerweise ist auch die zweite Auflagefläche vollständig oder wenigstens bereichsweise eben ausgebildet und parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtet. Auch die zweite Auflagefläche kann gegenüber einer Oberseite der Stege der zweiten Kanalstrukturen erhöht sein. Ausgehend von der zweiten Auflagefläche kann die zweite Plattenoberfläche der Strömungsplatte also zu den zweiten Kanalstrukturen oder zu den Oberseiten der Stege der zweiten Kanalstrukturen hin abfallen. Auch die zweite Auflagefläche dient der Aufnahme eines Randbereichs einer zwischen zwei benachbarten Strömungsplatten angeordneten Transfermembran oder eines Membranverbundes, der eine Transfermembran enthält.
Die Strömungsplatte kann Durchführungen aufweisen, die jeweils eine Fluidverbindung zwischen einer der Durchgangsöffnungen der Strömungsplatte bzw. den durch die Durchgangsöffnungen im Stapel gebildeten Leitungen und den ersten Kanalstrukturen oder den zweiten Kanalstrukturen herstellen. So kann Prozessgas von den durch die Durchgangsöffnungen der Strömungsplatten im Plattenstapel gebildeten Leitungen über die Durchführungen in die ersten oder in die zweiten Kanalstrukturen geleitet werden oder umgekehrt.
Die Durchführungen können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie die Sicke und/oder die Nut und/oder die Halbnut der Strömungsplatte queren. Z. B. können die Durchführungen oder wenigstens einige der Durchführungen als Gräben an der ersten und/oder an der zweiten Plattenoberfläche ausgebildet sein. Benachbarte Durchführungen können durch Stege getrennt sein, wobei die Oberseiten der Stege vorzugsweise an dieselbe parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtete Ebene heranreichen. So können die Durchführungen an ihrer Oberseite durch eine ebene Oberfläche einer unmittelbar benachbarten Strömungsplatte abgedichtet werden.
Die Durchführungen oder wenigstens einige der Durchführungen können auch als Tunnel in der Strömungsplatte ausgebildet sein. Dies ermöglicht es z. B., dass eine zwischen benachbarten Strömungsplatten angeordnete Transfermembran oder ein zwischen benachbarten Strömungsplatten angeordneter Membranverbund auch im Bereich der Durchführungen abgestützt werden kann, ohne dass der durch die Durchführungen geführte Gasstrom dadurch beeinträchtigt wird.
Vorgeschlagen wird außerdem ein Befeuchter, insbesondere ein Befeuchter zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen mit Strömungsplatten der zuvor beschriebenen Art. Die Strömungsplatten können im Befeuchter derart gestapelt sein, dass die Sicken der Strömungsplatten jeweils wenigstens teilweise in den Nuten bzw. Halbnuten der jeweils benachbarten Strömungsplatten aufgenommen sind. Gewöhnlich ist zwischen benachbarten Strömungsplatten des Stapels zudem jeweils ein Membranverbund angeordnet. Normalerweise umfasst dieser Membranverbund wenigstens eine Transfermembran. Die Strömungsplatten des Stapels sind vorzugsweise baugleich ausgebildet.
Benachbarte Strömungsplatten des Stapels können entlang der in den Nuten oder Halbnuten aufgenommenen Sicken miteinander verklebt sein. Typischerweise sind zwei benachbarte Strömungsplatten des Stapels dann zumindest entlang des Sickendaches der ersten der beiden benachbarten Strömungsplatten und entlang des Grundes der Nut bzw. des abgesenkten Bereichs der Halbnut der zweiten der beiden benachbarten Strömungsplatten miteinander verklebt. Alternativ oder zusätzlich können die beiden benachbarten Strömungsplatten aber auch wenigstens abschnittweise entlang der Sickenflanken und der Nutflanken bzw. Halbnutenflanken miteinander verklebt sein.
Die Strömungsplatten des Stapels können derart ausgebildet sein und die Sicken der Strömungsplatten können derart in den Nuten bzw. Halbnuten der jeweils benachbarten Strömungsplatte des Stapels aufgenommen sein, dass in einem zur Außenseite des Stapels weisenden seitlichen Randbereich des Stapels zwischen zwei benachbarten Strömungsplatten des Stapels jeweils ein definierter Spalt ausgebildet ist, über den in der Nut bzw. zumindest auf dem abgesenkten Bereich der Halbnut aufgenommener Klebstoff beim Verpressen der Strömungsplatten des Stapels seitlich nach außen entweichen kann, und zwar insbesondere dann, wenn eine Menge des in der Nut bzw. der Halbnut aufgenommenen Klebstoffs eine definierte Höchstmenge übersteigt.
Normalerweise umfasst der Membranverbund zusätzlich zumindest eine auf einer Seite der Transfermembran angeordnete Diffusionslage. Vorzugsweise umfasst der Membranverbund jedoch beiderseits der Transfermembran angeordnete Diffusionslagen. Die Transfermembran und die Diffusionslage oder die Diffusionslagen können zu einem Laminat zusammengefügt sein. Die Diffusionslagen erlauben es, dass die Prozessgase auch im Bereich der Stege, die zwischen den Kanälen der ersten und/oder der zweiten Kanalstrukturen angeordnet sind, an die Wasseraustauschmembran heranführbar sind und so auch im Bereich der Stege zum Feuchtigkeitstransfer über die Transfermembran beitragen können.
Der Membranverbund kann jeweils derart zwischen zwei Strömungsplatten des Stapels angeordnet sein, dass der Rand des Membranverbundes wenigstens abschnittweise in die Nut oder die Halbnut einer ersten der benachbarten Strömungsplatten hineinragt und zwischen der Nut bzw. den beiden Wänden der Halbnut der ersten Strömungsplatte und der wenigstens teilweise in der Nut bzw. der Halbnut der ersten Strömungsplatte aufgenommenen Sicke einer zweiten der benachbarten Strömungsplatten verpresst ist.
In seinem Randbereich kann der Membranverbund eine verringerte Dicke aufweisen, beispielsweise weil die Diffusionslagen und die Transfermembran in diesem Bereich unter Druck verpresst und verklebt wurden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Rand des Membranverbundes wenigstens abschnittweise zwischen Sicke und Nut bzw. Halbnut benachbarter Strömungsplatten verpresst ist oder verpresst werden soll.
Der Membranverbund kann zwischen der ersten Plattenoberfläche einer ersten Strömungsplatte und der zweiten Plattenoberfläche einer der ersten Strömungsplatte unmittelbar benachbarten zweiten Strömungsplatte des Stapels angeordnet sein, wobei die erste Plattenoberfläche der ersten Strömungsplatte die zuvor beschriebene erste Auflagefläche aufweist und/oder wobei die zweite Plattenoberfläche der zweiten Strömungsplatte die zuvor beschriebenen zweite Auflagefläche aufweist. Vorzugsweise ist der Membranverbund dann derart zwischen der ersten Plattenoberfläche der ersten Strömungsplatte und der zweiten Plattenoberfläche der zweiten Strömungsplatte angeordnet, dass der Membranverbund mit seinem in der Dicke verringerten Rand an der ersten Auflagefläche der ersten Plattenoberfläche der ersten Strömungsplatte anliegt und/oder an der zweiten Auflagefläche der zweiten Plattenoberfläche der zweiten Strömungsplatte anliegt. Eine derartige Anordnung stabilisiert den Membranverbund zwischen den Strömungsplatten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 perspektivisch einen Befeuchter für einen Brennstoffzellenstapel;
2 schematisch einen Kompressor, einen Befeuchter und einen Brennstoffzellenstapel;
3 perspektivisch eine erfindungsgemäße Strömungsplatte;
4 perspektivisch zwei erfindungsgemäße Strömungsplatten und einen zwischen den Strömungsplatten angeordneten Membranverbund;
5a ein Detail einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte in einer Draufsicht;
5b eine erste Schnittdarstellung des Details gemäß 5a;
5c eine zweite Schnittdarstellung des Details gemäß 5a;
6a ein Detail einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht;
6b eine erste Schnittdarstellung des Details gemäß 6a;
6c eine zweite Schnittdarstellung des Details gemäß 6a;
7a eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte;
7b eine der Strömungsplatte gemäß 7a baugleiche Strömungsplatte mit einem Membranverbund und mit einem Klebstoff;
7c zwei baugleiche Strömungsplatten und ein zwischen den Strömungsplatten angeordneter Membranverbund in einer Schnittdarstellung;
7d ein Detail aus 7c, zur Veranschaulichung der Geometrie ohne Klebstoff und ohne Membranverbund;
7e das Detail aus 7d, mit Klebstoff und mit Membranverbund;
8 die Schnittdarstellung entsprechend 7c mit Strömungsplatten gemäß einer abgewandelten Ausführungsform zusammen mit einer Detailansicht; und
9 die Schnittdarstellung entsprechend 7c mit Strömungsplatten gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Befeuchter 1 mit einer Mehrzahl von baugleichen Strömungsplatten 2, die in einem Stapel 3 angeordnet sind. Der Befeuchter 1 dient dem Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen. Zwischen benachbarten Strömungsplatten 2 des Stapels 3 ist jeweils ein Membranverbund 4 angeordnet. Der Stapel 3 ist zwischen zwei Endplatten 5 und 6 verspannt. Gezeigt sind ferner Eingänge 7 und 8 sowie Ausgänge 9 und 10 an der Endplatte 6 des Befeuchters 1. Über die Eingänge 7, 8 können z. B. zu befeuchtendes und zu entfeuchtendes Prozessgas in den Befeuchter 1 eingeleitet werden. Über die Ausgänge 9, 10 können das befeuchtete und das entfeuchtete Prozessgas aus dem Befeuchter 1 abgeführt werden. 1 zeigt ferner ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem mit einer x-Achse 11, einer y-Achse 12 und einer z-Achse 13. Die Planflächenebenen der Strömungsplatten 2 des Stapels 3 sind parallel zur x-y-Ebene ausgerichtet.
2 zeigt schematisch die Verwendung des Befeuchters 1 aus 1 in einem elektrochemischen System 14, das neben dem Befeuchter 1 einen Kompressor 15 und eine Brennstoffzelleneinheit 16 umfasst. Dabei sind hier und im Folgenden wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Brennstoffzelleneinheit 16 enthält z. B. eine Vielzahl von Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen. Vom Kompressor 15 wird dem Befeuchter 1 über den Eingang 8 ein trockenes, zu befeuchtendes Prozessgas zugeführt, z. B. molekularer Wasserstoff oder molekularer Sauerstoff. Das im Befeuchter 1 befeuchtete Prozessgas wird dann über den Ausgang 9 des Befeuchters 1 an die Brennstoffzelleneinheit 16 abgegeben. Dort wird die chemische Energie unterschiedlicher Prozessgase mittels einer Vielzahl von Membranelektrodeneinheiten (auch membrane electrode assembly oder MEA genannt) in elektrische Energie umgewandelt. Der bei der Reaktion der Prozessgase in der Brennstoffzelleneinheit 16 entstehende Wasserdampf wird dem Befeuchter 1 über den Eingang 7 zugeführt und dient dort dem Befeuchten des trockenen Prozessgases, das dem Befeuchter 1 über den Eingang 8 zugeführt wird. Der entfeuchtete Wasserdampf wird über den Ausgang 10 des Befeuchters 1 z. B. an die Umgebung abgegeben.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine der Strömungsplatten 2 eines Befeuchters 1 vergleichbar dem in 1 dargestellten. Die Strömungsplatte 2 ist eine Einkomponenten-Spritzgussplatte aus Kunststoff. Die Strömungsplatte 2 hat eine erste Plattenoberfläche 2a und eine zweite Plattenoberfläche 2b. In 3 ist die erste Plattenoberfläche 2a vom Betrachter abgewandt und die zweite Plattenoberfläche 2b ist dem Betrachter zugewandt. An der dem Betrachter zugewandten zweiten Plattenoberfläche 2b weist die Strömungsplatte 2 zweite Kanalstrukturen 17 zur Gasführung auf. Die zweiten Kanalstrukturen 17 umfassen eine Vielzahl von Kanälen 18, von denen in 3 nur einige durch Bezugszeichen hervorgehoben sind. Die Kanäle 18 werden durch zwischen den Kanälen 18 verlaufende Stege 19 voneinander getrennt. An der ersten Plattenoberfläche 2a weist die Strömungsplatte 2 den zweiten Kanalstrukturen 17 entsprechende erste Kanalstrukturen 20 mit Kanälen und Stegen auf, die in 3 jedoch verdeckt sind.
Die Strömungsplatte 2 weist ferner Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 zum Führen von Gas durch die Strömungsplatte 2 auf. Im Stapel 3 (vgl. 1) bilden die Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 mit den entsprechenden Durchgangsöffnungen der weiteren Strömungsplatten des Stapels 3 Leitungen zum Zuführen von Gas in den Stapel 3 und zum Abführen von Gas aus dem Stapel 3. Die Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 und die von den Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 gebildeten Leitungen sind mit den Eingängen 7, 8 und den Ausgängen 9, 10 des Befeuchters 1 (vgl. 1 und 2) in Fluidverbindung.
An der dem Betrachter zugewandten zweiten Plattenoberfläche 2b weist die Strömungsplatte 2 ferner eine hier eher schematisch dargestellte Nut oder Halbnut, die beide Varianten zusammenfassend mit 25 bezeichnet wird, auf. Die Nut oder Halbnut 25 ist mit der Strömungsplatte 2 einteilig ausgebildet. Hier wurde die Nut oder Halbnut 25 beim Spritzgießen der Strömungsplatte 2 in die zweite Plattenoberfläche 2b der Strömungsplatte 2 eingeformt. Der Verlauf der Nut oder Halbnut 25 folgt dem im Wesentlichen rechteckigen Rand der Strömungsplatte 2. Die Nut oder Halbnut 25 verläuft in geringem Abstand vom Rand der Strömungsplatte 2. Die Nut oder Halbnut 25 umläuft die zweiten Kanalstrukturen 17. Im Ausführungsbeispiel der 3 zweigt sich die Nut oder Halbnut 25 im Bereich der Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 jeweils auf, so dass die Nut oder Halbnut 25 die Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 jeweils ebenfalls vollständig umläuft. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der Verlauf der Nut oder Halbnut 25 eine geschlossene Kurve an der zweiten Plattenoberfläche 2b der Strömungsplatte 2.
Die Nut oder Halbnut 25 dient der Aufnahme einer im Wesentlichen komplementär zur Nut oder Halbnut 25 geformten Vollsicke einer der Strömungsplatte 2 benachbarten Strömungsplatte des Stapels 3. Auf diese Weise greifen Sicke und Nut oder Halbnut benachbarter Strömungsplatten des Stapels 3 wenigstens teilweise formschlüssig ineinander und verhindern so, dass die Strömungsplatten des Stapels 3 relativ zueinander parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatten verrutschen und aneinander abgleiten. Falls es sich bei der in 3 gezeigten Strömungsplatte 2 um diejenige Strömungsplatte des Stapels 3 handelt, die an die Endplatte 6 des Befeuchters 1 (siehe 1) angrenzt, kann die Nut oder Halbnut 25 auch zur Aufnahme einer Dichtungsanordnung dienen, die das in diesem Fall von den zweiten Kanalstrukturen 17 und der Endplatte 6 entlang der z-Richtung 13 eingeschlossene Volumen seitlich, d. h. parallel zur x-y-Ebene abdichtet. Die in der Nut oder Halbnut 25 aufgenommene Dichtungsanordnung kann dann z. B. einen Dichtungsring umfassen.
Die Strömungsplatte 2 gemäß 3 weist an der dem Betrachter zugewandten zweiten Plattenoberfläche 2b ferner Durchführungen 26, 27 auf. Die Durchführungen 26 stellen eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung 21 und den zweiten Kanalstrukturen 17 her, und die Durchführungen 27 stellen eine Fluidverbindung zwischen der Durchgangsöffnung 23 und den zweiten Kanalstrukturen 17 her. Beispielsweise sind die Durchführungen 26 eingerichtet, ein in der von der Durchgangsöffnung 21 gebildeten Leitung des Stapels 3 geführtes zu befeuchtendes Gas von der Durchgangsöffnung 21 in die Kanäle 18 der zweiten Kanalstrukturen 17 zu leiten, und die Durchführungen 27 sind eingerichtet, dieses beim Durchströmen der Kanäle 18 befeuchtete Gas von den Kanälen 18 der zweiten Kanalstrukturen 17 in die von der Durchgangsöffnung 23 gebildete Leitung des Stapels 3 zu leiten.
Die Durchführungen 26, 27 queren jeweils die Nut oder Halbnut 25. Die Durchführungen 26, 27 sind als Gräben in der zweiten Plattenoberfläche 2b ausgebildet. Insbesondere sind die Durchführungen 26, 27 als weitere Vertiefungen des Grundes der Nut oder Halbnut 25 ausgebildet. Die Nut oder Halbnut 25 hat im Bereich der Durchführungen 26, 27 entlang der y-Richtung 12 also jeweils stufenartig variierende Tiefe. Zwischen den die Durchführungen 26, 27 bildenden Gräben bildet der Grund der Nut oder Halbnut 25 eine Vielzahl von Stegen. Die durch den Grund der Nut oder Halbnut 25 gebildeten Oberseiten dieser Stege verlaufen jeweils in derselben, parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 2 ausgerichteten Ebene. Die Durchführungen 26, 27 stellen auch dann eine Fluidverbindung zwischen den Durchgangsöffnungen 21, 23 und den zweiten Kanalstrukturen 17 her, wenn die Sicke einer benachbarten Strömungsplatte im Bereich der Durchführungen 26, 27 in der Nut oder Halbnut 25 aufgenommen ist und sich am Grund der Nut oder Halbnut 25 abstützt, insbesondere an den Oberseiten der zuvor genannten, durch den Grund der Nut oder Halbnut 25 gebildeten Stege. Die Durchführungen 26, 27 führen das Gas dann zwischen der zweiten Plattenoberfläche 2b der Strömungsplatte 2 und der im Bereich der Durchführungen 26, 27 in der Nut oder Halbnut 25 der Strömungsplatte 2 aufgenommenen Sicke der benachbarten Strömungsplatte hindurch.
An der vom Betrachter der 3 abgewandten ersten Plattenoberfläche 2a weist die Strömungsplatte eine Sicke 28 auf, die in 3 verdeckt und damit nicht sichtbar ist. Wie die Nut oder Halbnut 25 so ist auch die Sicke 28 mit der Strömungsplatte 2 einteilig ausgebildet, z. B. durch gleichzeitiges Formen der Strömungsplatte 2 und der Sicke 28 im Spritzgussverfahren. Der Verlauf der Sicke 28 folgt dem im Wesentlichen rechteckigen Rand der Strömungsplatte 2. Die Sicke 28 verläuft in geringem Abstand vom Rand der Strömungsplatte 2. Die Sicke 28 umläuft die in 3 verdeckten ersten Kanalstrukturen 20 an der ersten Plattenoberfläche 2a der Strömungsplatte 2. Analog zur Nut oder Halbnut 25 an der zweiten Plattenoberfläche 2b zweigt sich die Sicke 28 im Bereich der Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 jeweils auf, so dass die Sicke 28 wie die Nut oder Halbnut 25 die Durchgangsöffnungen 21, 22, 23, 24 jeweils vollständig umläuft. Wie bei der Nut oder Halbnut 25 an der zweiten Plattenoberfläche 2b bildet der Verlauf der Sicke 28 eine geschlossene Kurve an der ersten Plattenoberfläche 2a der Strömungsplatte 2. Die Nut oder Halbnut 25 und die Sicke 28 der Strömungsplatte 2 sind insbesondere derart angeordnet, dass eine senkrechte Projektion der Nut oder Halbnut in oder auf die Planflächenebene der Strömungsplatte 2 eine senkrechte Projektion de Sicke in oder auch dieselbe Planflächenebene der Strömungsplatte 2 einschließt oder umfasst. So ist gewährleistet, dass die in die negative z-Richtung 13 weisenden Sicken der baugleichen Strömungsplatten 2 des Stapels 3 wenigstens teilweise in die in die positive z-Richtung 13 weisenden Nuten oder Halbnuten der jeweils benachbarten Strömungsplatten eingreifen und in den Nut oder Halbnuten aufgenommen sind.
Die in 3 verdeckte erste Plattenoberfläche 2a weist den Durchführungen 26, 27 entsprechende Durchführungen auf, die jeweils eine Fluidverbindungen zwischen den Durchgangsöffnungen 22, 24 und den ersten Kanalstrukturen 20 herstellen. Diese Durchführungen an der ersten Plattenoberfläche 2a können wie die Durchführungen 26, 27 an der zweiten Plattenoberfläche 2b als Gräben in der ersten Plattenoberfläche 2a ausgebildet sein und quer zur Sicke 28 verlaufen. Ebenso können die Durchführungen an der ersten Plattenoberfläche 2a wie die Durchführungen 26, 27 an der zweiten Plattenoberfläche 2b als Tunnel oder Bohrungen ausgebildet sein, die durch die Sicke 28 hindurch oder unter der Sicke 28 hindurch führen.
4 zeigt in perspektivischer Explosionsdarstellung zwei benachbarte, baugleiche Strömungsplatten 2 des Stapels 3 aus 1 und zwischen den benachbarten Strömungsplatten 2 angeordnet die noch nicht miteinander verbundenen Elemente, die den Membranverbund 4 ergeben, nämlich zwei Diffusionsmedien 4b, 4d und eine zwischen diesen angeordnete Transfermembran 4a.
5a zeigt ein Detail einer abgewandelten Ausführungsform der Strömungsplatte 2 aus 3, und zwar hier in einer Draufsicht. Die Strömungsplatte 2 gemäß 5a unterscheidet sich von der Strömungsplatte 2 gemäß 3 durch eine leicht abgewandelte Form der zweiten Kanalstrukturen 17 an der zweiten Plattenoberfläche 2b und durch in der Form abgewandelte Durchgangsöffnungen 22, 23. Ferner weist die Strömungsplatte 2 gemäß 5a anders als die Strömungsplatte 2 gemäß 3 Durchführungen 29 auf, die eine Fluidverbindung zwischen den zweiten Kanalstrukturen 17 und der Durchgangsöffnung 22 herstellen. Wie die Durchführungen 26, 27 gemäß 3 sind auch die Durchführungen 29 gemäß 5a als Gräben in der zweiten Plattenoberfläche 2b ausgebildet, die die Vollnut 25a im Bereich zwischen der Durchgangsöffnung 22 und den zweiten Kanalstrukturen queren.
Die 5b und 5c zeigen jeweils einen Schnitt durch die Anordnung gemäß 5a, und zwar entlang der in 5a eingezeichneten Schnittlinien B-B, C-C und D-D, die jeweils parallel zur x-y-Ebene ausgerichtet sind. Dabei zeigen die Schnittdarstellungen der 5b und 5c jeweils drei baugleiche, übereinander und abschnittsweise ineinander gestapelte Strömungsplatten 2 eines Stapels 3 vergleichbar 1. Die 5b und 5c veranschaulichen insbesondere die Ausgestaltung der Durchführungen 29. Im Folgenden werden mit Bezug auf die 5b und 5c der Einfachheit halber jeweils nur die Durchführungen 29 der jeweils mittleren Strömungsplatte 2 beschrieben.
Die Schnittlinie B-B folgt dem Verlauf desjenigen Teils der Vollnut 25a, der zwischen der Durchgangsöffnung 22 und den zweiten Kanalstrukturen 17 angeordnet ist. Die Durchführungen 29 umfassen eine Vielzahl von Gräben 30, die als Vertiefungen im Grund der Vollnut 25a ausgebildet sind. Die Gräben 30 sind jeweils durch Stege 31 voneinander getrennt. Die Oberseiten 32 dieser Stege 31 liegen jeweils in der durch den Grund der Vollnut 25a gebildeten Ebene. Die in der Vollnut 25a aufgenommene Sicke 28 der benachbarten Strömungsplatte stützt sich am Grund der Vollnut 25a und an den Oberseiten 32 der Stege 31 ab. Die in der Vollnut 25a aufgenommene Sicke 28 der benachbarten Strömungsplatte bildet so eine zusammenhängende Dichtungslinie, die die Gräben 30 an ihrer Oberseite abdichtet.
Die Schnittlinie C-C verläuft quer zur Vollnut 25a und entlang eines der Stege 31 der Durchführungen 29. Im z-Schnitt der 5c ist deutlich zu erkennen, dass die Sicken 28 bis an die Oberseiten 32 der Stege 31 der jeweils benachbarten Strömungsplatte heranreichen und sich an den Oberseiten 32 der Stege 31 der jeweils benachbarten Strömungsplatte abstützen (siehe auch 5b). Im Bereich der Stege 31 besteht keine Fluidverbindung zwischen den zweiten Kanalstrukturen 17 und der Durchgangsöffnung 22.
Die Schnittlinie D-D verläuft ebenfalls quer zur Vollnut 25a und entlang eines der Gräben der Durchführungen 29. Im x-z-Schnitt der 5c ist deutlich zu erkennen, dass die Sicken 28 die Gräben 30 der jeweils benachbarten Strömungsplatte nach oben hin abdichten, so dass das Gas durch die Gräben 30 quer zu den Sicken 28 unter den Sicken 28 hindurch geleitet wird (siehe auch 5b).
Die 6a–c zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der Durchführungen 29. Die Durchführungen 29 gemäß den 6a–c unterscheiden sich von den Durchführungen 29 gemäß den 5a–c dadurch, dass sie nicht als Gräben, sondern als Tunnel 33 in der Strömungsplatte 2 ausgebildet sind.
Wie in 5a folgt die Schnittlinie B-B in 6a dem Verlauf desjenigen Teils der Vollnut 25a, der zwischen der Durchgangsöffnung 22 und den zweiten Kanalstrukturen 17 angeordnet ist. 6b ist entnehmbar, dass sich die Sicken 28 jeweils am Grund der Vollnuten 25a der jeweils benachbarten Strömungsplatte abstützen. Der in 6b gezeigte Schnitt entlang der Schnittlinie B-B zeigt ferner deutlich, dass die Tunnel 33 jeweils vollständig innerhalb der Strömungsplatte 2 verlaufen. Die einzelnen Tunnel 33 werden wie bei der Ausführungsform gemäß den 5a–c durch Stege 31 voneinander getrennt.
Wie in 5a verläuft die Schnittlinie C-C in 6a quer zur Vollnut 25a und entlang eines der Stege 31 der Durchführungen 29. Auch im x-z-Schnitt der 6c ist zu erkennen, dass die Sicken 28 jeweils in den Vollnuten 25a der jeweils benachbarten Strömungsplatte aufgenommen sind und sich am Grund der Vollnuten 25a der jeweils benachbarten Strömungsplatte abstützen (siehe auch 6b). Im Bereich der Stege 31 besteht keine Fluidverbindung zwischen den zweiten Kanalstrukturen 17 und der Durchgangsöffnung 22.
Analog zur Ausführungsform gemäß 5a verläuft die Schnittlinie D-D in 6a quer zur Vollnut 25a und entlang eines der Tunnel 33 der Durchführungen 29. Auch im x-z-Schnitt der 6c ist deutlich zu erkennen, dass die Tunnel 33 jeweils vollständig innerhalb der Strömungsplatten 2 verlaufen und sich quer zur Vollnut 25a und zur Sicke 28 erstrecken. Ferner ist in 6c erkennbar, dass die Tunnel 33 jeweils zu den zweiten Kanalstrukturen 17 und zur Durchgangsöffnung 22 offen sind.
7a zeigt eine Schnittdarstellung der Strömungsplatte 2 aus 3. Erkennbar sind die Sicke 28 und die ersten Kanalstrukturen 20 an der ersten Plattenoberfläche 2a sowie die Vollnut 25a und die zweiten Kanalstrukturen 17 an der zweiten Plattenoberfläche 2b. Die ersten Kanalstrukturen 20 umfassen Kanäle 36, die durch Stege 37 voneinander getrennt sind. Die zweiten Kanalstrukturen 17 umfassen die Kanäle 18, die durch die Stege 19 voneinander getrennt sind (siehe auch 3). Die Kanäle 18 und die Kanäle 36 verlaufen bei der in der 7a gezeigten Ausführungsform der Strömungsplatte 2 parallel zueinander und erstrecken sich senkrecht zur Zeichenebene, also entlang der x-Richtung 11 (siehe auch 3).
Zu erkennen ist ebenfalls, dass die Sicke 28 sich im Querschnitt von der Strömungsplatte 2 weg konisch verjüngt. Dagegen verjüngt sich die Vollnut 25a im Querschnitt konisch zu ihrem Grund hin. Die Sicke 28 und die Vollnut 25a der Strömungsplatte sind derart ausgebildet, dass wenigstens der von der Strömungsplatte 2 abgewandte obere Abschnitt der Sicke 28 im Querschnitt im Wesentlichen komplementär zum Querschnitt der Vollnut 25a ist. Dies ermöglicht eine formschlüssige Aufnahme wenigstens des oberen Abschnitts der Sicke 28 in der Nut einer baugleichen, benachbarten Strömungsplatte des Stapels 3 (vgl. 1).
7b zeigt die Strömungsplatte 2 aus 7a und einen an der zweiten Plattenoberfläche 2b aufgenommenen Membranverbund 4. Zum Verkleben der Strömungsplatte 2 mit einer benachbarten Strömungsplatte des Stapels 3 (siehe 1) zeigt 7b ferner einen im Bereich des Daches der Sicke 28 angeordneten Klebstoff 38. Der Membranverbund 4 umfasst eine Transfermembran 4a und eine Diffusionslage 4b. Die Transfermembran 4a und die Diffusionslage 4b sind zu einem Laminat zusammengefügt. Die Transfermembran 4a ist an der von der Strömungsplatte 2 abgewandten Seite des Membranverbundes 4 angeordnet, und die Diffusionslage 4b ist an der der Strömungsplatte 2 zugewandten Seite des Membranverbundes 4 angeordnet. Die Diffusionslage 4b ermöglicht es, dass die Transfermembran 4a auch im Bereich der Stege 19 für Gas passierbar ist. Dies erhöht die Effizienz des Feuchtigkeitstransfers über die Transfermembran 4a. Bei abgewandelten Ausführungsformen kann der Membranverbund 4 an der von der Strömungsplatte 2 abgewandten Seite der Transfermembran 4a eine weitere Diffusionslage nach Art der Diffusionslage 4b aufweisen. Diese weitere Diffusionslage kann dann ebenfalls mit der Transfermembran 4 und der Diffusionslage 4b zu einem Laminat zusammengefügt sein.
Ein Rand 4c des Membranverbundes 4 ragt teilweise in die Vollnut 25a hinein und liegt an der den zweiten Kanalstrukturen 17 zugewandten Flanke der Vollnut 25a an. Um eine Beschädigung des Randes 4c des Membranverbundes 4 zu verhindern und um das Anliegen des Membranverbundes an der zweiten Plattenoberfläche 2b der Strömungsplatte 2 zu verbessern, ist eine den zweiten Kanalstrukturen 17 zugewandte Oberkante 39 der Vollnut 25a abgerundet.
An die abgerundete Oberkante 39 der Vollnut 25a schließt sich zu den Kanalstrukturen 17 hin eine ebene Auflagefläche 34 an. Die Auflagefläche 34 ist wenigstens abschnittweise parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 2 ausgerichtet, also parallel zur x-y-Ebene. Gegenüber den von der Strömungsplatte 2 abgewandten Oberseiten der Stege 19 der zweiten Kanalstrukturen 17 ist die Auflagefläche 34 leicht erhöht. Die zweite Plattenoberfläche 2b fällt also an einem den zweiten Kanalstrukturen 17 zugewandten Ende 40 der Auflagefläche 34 zu den zweiten Kanalstrukturen 17 hin ab, und zwar um einen Betrag, der der Dicke der Diffusionslage 4b entspricht.
Die Diffusionslage 4b erstreckt sich nicht bis zum Rand 4c des Membranverbundes 4, sondern reicht nur bis zum Ende 40 der Auflagefläche 34. Der Rand 4c des Membranverbundes 4 umfasst damit nur die Transfermembran 4a und nicht die Diffusionslage 4b. Mit anderen Worten weist der Rand 4c des Membranverbundes 4 gegenüber dem im Bereich der zweiten Kanalstrukturen 17 angeordneten Abschnitt des Membranverbundes 4 eine verringerte Dicke auf. Der Abfall der zweiten Plattenoberfläche 2b am den zweiten Kanalstrukturen 17 zugewandten Ende 40 der Auflagefläche 34 trägt somit der verringerten Dicke des Membranverbundes 4 an seinem Rand 4c Rechnung und ermöglicht das Anliegen des Membranverbundes 4 an der zweiten Plattenoberfläche 2b über die gesamte Ausdehnung des Mebranverbundes 4.
Die erste Plattenoberfläche 2a weist eine der Auflagefläche 34 an der zweiten Plattenoberfläche 2b entsprechende Auflagefläche 35 auf, die sich an die den ersten Kanalstrukturen 20 zugewandte Flanke der Sicke 28 anschließt. Auch die Auflagefläche 35 ist wenigstens abschnittweise parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 2 ausgerichtet, also parallel zur x-y-Ebene. Gegenüber den von der Strömungsplatte 2 abgewandten Oberseiten der Stege 37 der ersten Kanalstrukturen 20 ist die Auflagefläche 35 leicht erhöht. Die erste Plattenoberfläche 2a fällt also an einem den ersten Kanalstrukturen 20 zugewandten Ende 41 der Auflagefläche 35 zu den ersten Kanalstrukturen 20 hin ab, und zwar vorzugsweise ebenfalls um einen Betrag, der der Dicke der einer Diffusionslage entspricht. Wie zuvor in Bezug auf die zweite Plattenoberfläche 2b beschrieben, verbessert diese Ausgestaltung der ersten Plattenoberfläche 2a im Bereich zwischen der Sicke 28 und den ersten Kanalstrukturen 20 die Aufnahme eines in der Dicke veränderlichen Membranverbundes an der ersten Plattenoberfläche 2a.
7c zeigt die Strömungsplatte 2 aus 7b und eine mit der Strömungsplatte 2 zusammengefügte weitere Strömungsplatte 2‘. Die Strömungsplatten 2 und 2‘ sind baugleich, weisen also identische Merkmale auf. Nur zur Unterscheidung der Merkmale der Strömungsplatte 2‘ von den entsprechenden Merkmalen der Strömungsplatte 2 sind die Merkmale der Strömungsplatte 2‘ jeweils mit einem Oberstrich versehen. Zwischen den Strömungsplatten 2, 2‘ ist ein Membranverbund 4 angeordnet, der an der ersten Plattenoberfläche 2a‘ der Strömungsplatte 2‘ und an der zweiten Plattenoberfläche 2b der Strömungsplatte 2 anliegt. Die Sicke 28‘ der Strömungsplatte 2‘ ist formschlüssig in der Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 aufgenommen. Die Sicke 28‘ der Strömungsplatte 2‘ stützt sich entlang des gesamten Sickendaches am Grund der Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 ab.
Die Sicke 28‘ und die Vollnut 25a sind entlang des Daches der Sicke 28‘ und entlang des Grundes der Vollnut 25a miteinander verklebt. Im Beispiel der 7c füllt der Klebstoff 38 zusätzlich wenigstens teilweise die zwischen den Flanken der Sicke 32‘ und den Flanken der Vollnut 25a ausgebildeten geringfügigen Zwischenräume. Der Rand 4c des Membranverbundes 4 reicht zumindest teilweise in die Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 hinein und ist zwischen den Flanken der Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 und der Sicke 28‘ der Strömungsplatte 2‘ verpresst. Der Membranverbund 4 weist beiderseits der Transfermembran 4a Diffusionslagen 4b, 4d auf, die jeweils bis zu den Enden 41‘, 40 der Auflageflächen 35‘, 34 reichen, wie oben bezüglich 7b beschrieben. Der zur Aufnahme des Membranverbundes 4 im Bereich der Kanalstrukturen 20‘, 17 der Strömungsplatten 2‘, 2 zwischen den Strömungsplatten 2‘, 2 ausgebildete Zwischenraum verjüngt sich also im Bereich der Auflageflächen 35‘, 34 und trägt damit der verringerten Dicke des Membranverbundes 4 an seinem Rand 4c Rechnung. Das in den Kanälen 36‘ der Strömungsplatte 2‘ geführte Gas fließt in 7c parallel oder im Gegenstrom zu dem in den Kanälen 18 der Strömungsplatte 2 geführten Gas. Zwischen dem in den Kanälen 36‘, 18 geführten Gas erfolgt ein Feuchtigkeitsaustausch über die Transfermembran 4a des Membranverbundes 4. Der Rand 4c des Membranverbundes 4 liegt an den Auflageflächen 35‘, 34 der Strömungsplatten 2‘, 2 an.
Die senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 2‘ bestimmte Höhe der Sicke 28‘ ist um weniges größer als die senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 2 bestimmte Tiefe der Vollnut 25a. Die Strömungsplatten 2‘, 2 sind in ihren Randbereichen, die sich an der von den Kanalstrukturen 20‘, 17 abgewandten Seite der Sicke 28‘ und der Vollnut 25a erstrecken, derart gefertigt, dass sich zwischen den im Stapel 3 benachbarten Strömungsplatten 2‘, 2 am Rand ein Spalt 42 einer definierten, senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatten 2‘, 2 bestimmten Höhe erstreckt. Der Spalt 42 ist dazu ausgebildet, ein Entweichen des zwischen der Sicke 28‘ und der Vollnut 25a angeordneten Klebstoffs 38 durch den Spalt 42 zu ermöglichen, wenn die Menge des Klebstoffs 38 eine definierte Höchstmenge übersteigt. Der Spalt 42 stellt eine Fluidverbindung zwischen der Vollnut 25a und einer Außenseite des Stapels 3 her. Ein Abstand der Strömungsplatten 2‘, 2 im Stapel 3 kann so in reproduzierbarer Weise eingestellt werden.
Die 7d und 7e zeigen ein Detail der 7c, insbesondere den Bereich der Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 und der Sicke 28‘ der Strömungsplatte 2‘. Zur besseren Veranschaulichung der Geometrie der Strömungsplatten 2‘, 2 in diesem Bereich sind der Klebstoff 38 und der Membranverbund 4 in 7d nicht dargestellt. 7d illustriert, dass ein Flankenwinkel β der Flanken der Vollnut 25a der Strömungsplatte 2 größer ist als ein Flankenwinkel α der Flanken der Sicke 28‘ der Strömungsplatte 2‘. Die Flankenwinkel α, β sind dabei diejenigen Winkel, die die Flanken der Sicke 28‘ und der Vollnut 25a mit einer Lotrichtung 43 einschließen, die senkrecht zu den Planflächenebenen der Strömungsplatten 2‘, 2 ausgerichtet ist. Diese Ausgestaltung der Sicke 28‘ und der Vollnut 25a erleichtert z. B. die Aufnahme der Sicke 28‘ in der Vollnut 25a.
Die gestapelten und verklebten Strömungsplatten 2‘, 2 gemäß 8 unterscheiden sich von den Strömungsplatten 2‘, 2 gemäß 7c einerseits dadurch, dass die Kanäle 18, 18‘ an den zweiten Plattenoberflächen 2b, 2b‘ jeweils quer zu den Kanälen 36, 36‘ an den ersten Plattenoberflächen 2a, 2a‘ ausgerichtet sind. Die Kanäle 36, 36‘ an den ersten Plattenoberflächen 2a, 2a‘ verlaufen senkrecht zur Zeichenebene, also entlang der x-Richtung 11. Die Kanäle 18, 18‘ an den zweiten Plattenoberflächen 2b, 2b‘ verlaufen dagegen senkrecht entlang der y-Richtung 12. Dies hat zur Folge, dass das in den Kanälen 36‘, 18 beiderseits des Membranverbundes 4 geführte Gas bei der Anordnung gemäß 8 quer zueinander strömt. Weiter weisen beide Flanken der Sicken 28, 28‘ jeweils Bereiche mit unterschiedlichen Flankenwinkeln auf. Die Sicken 28, 28‘ sind hier zur Betonung ihrer Form als Vollsicke mit zwei Schenkeln und einem dazwischen sich erstreckenden Dach mit 28a und 28a‘ bezeichnet.
9 illustriert eine weitere Ausführungsform von Strömungsplatten 2‘, 2, in einer zur 7c analogen Anordnung. Hier weisen die Strömungplatten 2, 2‘ jeweils lediglich eine den Rand der Strömungsplatte 2, 2‘ umfassende und an den Rand der Strömungsplatte 2, 2‘ heranreichende, im Querschnitt im Wesentlichen abgeflacht Z-förmige Halbnut 25b auf. Dadurch, dass die Halbnut 25b entlang jedes Seitenrandes der Strömungsplatte 2, 2‘ zumindest abschnittsweise, vorzugsweise aber voll umlaufend vorhanden ist, ist diese Ausführungsform ausreichend für eine definierte Aufnahme der Sicke 28. Die Sicke 28 ist hier anders als in den vorhergehenden Ausführungsformen nicht als U-förmige Vollsicke, sondern als im Wesentlichen Z-förmige Halbsicke 28b ausgeführt, deren Flanke abschnittsweise der Flanke der Halbnut 25b mit geringem Abstand folgt und deren Sickendach auf dem abgesenkten Abschnitt der Halbnut 25b aufliegt. Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen erfolgt die Verbindung der Strömungsplatten 2, 2‘ mit dem Membranverbund 4 über einen Kleber 38; überschlüssiger Kleber kann wiederum definiert über einen Spalt 42 nach außen und in den Zwischenraum, in dem der Membranverbund 4 aufgenommen ist, entweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 202014006480 U1 [0005]

Claims

Strömungsplatte (2) für einen Befeuchter (1), der insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, für chemische Prozesse oder für HVAC-Anwendungen eingerichtet ist, umfassend: eine erste Plattenoberfläche (2a) mit ersten Kanalstrukturen (20) zur Gasführung; eine zweite Plattenoberfläche (2b) mit zweiten Kanalstrukturen (17) zur Gasführung; und Durchgangsöffnungen (21, 22, 23, 24) zum Führen von Gas durch die Strömungsplatte (2); gekennzeichnet durch eine zumindest die ersten Kanalstrukturen (20) umlaufende Sicke (28) an der ersten Plattenoberfläche (2a) und durch eine zumindest die zweiten Kanalstrukturen (17) umlaufende Nut (25, 25a, 25b) an der zweiten Plattenoberfläche (2b).
Strömungsplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (25) als eine vom Rand der Strömungsplatte (2) beabstandete Vollnut (25a) oder als eine den Rand der Strömungsplatte (2) umfassende oder an den Rand der Strömungsplatte heranreichende Halbnut (25b) ausgebildet ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (28) und die Nut (25, 25a, 25b) einteilig mit der Strömungsplatte (2) ausgebildet sind.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (28) und die Nut (25, 25a, 25b) derart angeordnet sind, dass eine senkrechte Projektion der Nut (25, 25a, 25b) auf die Planflächenebene der Strömungsplatte (2) eine senkrechte Projektion der Sicke (28) auf die Planflächenebene der Strömungsplatte (2) umfasst.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (28) und die Nut (25, 25a, 25b) derart ausgebildet sind, dass wenigstens ein von der Strömungsplatte (2) abgewandter oberer Abschnitt der Sicke (28) im Querschnitt im Wesentlichen komplementär zu einem Querschnitt der Nut (25, 25a, 25b) ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sicke (28) im Querschnitt von der Strömungsplatte (2) weg konisch verjüngt und dass sich die Nut (25, 25a, 25b) im Querschnitt zum Grund der Nut (25, 25a, 25b) hin konisch verjüngt.
Strömungsplatte (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flankenwinkel β der Nut (25, 25a, 25b) größer oder gleich einem Flankenwinkel α der Sicke (28) ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Nut (25, 25a, 25b) kleiner oder gleich einer Höhe der Sicke (28) ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den zweiten Kanalstrukturen (17) zugewandte Oberkante (39) der Nut (25, 25a, 25b) abgerundet ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (28) als Vollsicke (28a) oder als Halbsicke (28b) ausgebildet ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kanalstrukturen (20) Kanäle (36) und zwischen den Kanälen (36) angeordnete Stege (37) umfassen und dass die erste Plattenoberfläche (2a) eine erste Auflagefläche (35) aufweist, die sich an eine den ersten Kanalstrukturen (20) zugewandte Flanke der Sicke (28) anschließt, wobei die erste Auflagefläche (35) gegenüber einer Oberseite der Stege (37) der ersten Kanalstrukturen (20) erhöht ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kanalstrukturen (17) Kanäle (18) und zwischen den Kanälen (18) angeordnete Stege (19) umfassen und dass die zweite Plattenoberfläche (2b) eine zweite Auflagefläche (34) aufweist, die sich an eine den zweiten Kanalstrukturen (17) zugewandte Oberkante (39) der Nut (25, 25a, 25b) anschließt, wobei die zweite Auflagefläche (34) gegenüber einer Oberseite der Stege (19) der zweiten Kanalstrukturen (17) erhöht ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatte (2) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Strömungsplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Durchführungen (29), die jeweils eine Fluidverbindung zwischen einer der Durchgangsöffnungen (21, 22, 23, 24) und den ersten Kanalstrukturen (20) oder den zweiten Kanalstrukturen (17) herstellen.
Strömungsplatte (2) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen die Sicke (28) und/oder die Nut (25, 25a, 25b) queren.
Strömungsplatte (2) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen (29) oder wenigstens einige der Durchführungen (29) als Gräben (30) an der ersten und/oder an der zweiten Plattenoberfläche (2b) ausgebildet sind.
Strömungsplatte (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Durchführungen (29) durch Stege (31) getrennt sind, wobei die Oberseiten (32) der Stege (31) vorzugsweise an dieselbe parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte (2) ausgerichtete Ebene heranreichen.
Strömungsplatte (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen (29) oder wenigstens einige der Durchführungen (29) als Tunnel (33) in der Strömungsplatte (2) ausgebildet sind.
Befeuchter (1), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, für chemische Prozesse oder für HVAC-Anwendungen, mit Strömungsplatten (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsplatten (2) derart gestapelt sind, dass die Sicken (28) der Strömungsplatten (2) jeweils wenigstens teilweise in der Nut (25, 25a, 25b) der benachbarten Strömungsplatte (2) aufgenommen sind, wobei zwischen benachbarten Strömungsplatten (2) des Stapels (3) jeweils ein Membranverbund (4) angeordnet ist, der wenigstens eine Transfermembran (4a) umfasst.
Befeuchter (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Strömungsplatten (2) des Stapels (3) entlang der in den Nuten (25, 25a, 25b) aufgenommenen Sicken (28) miteinander verklebt sind.
Befeuchter (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatten (2) des Stapels (3) derart ausgebildet sind und dass die Sicken (28) jeweils derart in den Nuten (25, 25a, 25b) der benachbarten Strömungsplatte (2) aufgenommen sind, dass in einem seitlichen Randbereich des Stapels (3) zwischen zwei benachbarten Strömungsplatten (2) des Stapels (3) jeweils ein definierter Spalt (42) ausgebildet ist, über den in der Nut (25, 25a, 25b) aufgenommener Klebstoff (38) beim Verpressen der Strömungsplatten (2) des Stapels (3) seitlich nach außen entweichen kann, wenn eine Menge des in der Nut (25, 25a, 25b) aufgenommenen Klebstoffs (38) eine definierte Höchstmenge übersteigt.
Befeuchter (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranverbund (4) zumindest eine auf einer Seite der Transfermembran (4a) angeordnete Diffusionslage (4b, 4d) umfasst, vorzugsweise jedoch beiderseits der Transfermembran (4a) angeordnete Diffusionslagen, wobei die Transfermembran (4a) und die Diffusionslagen (4b, 4d) zu einem Laminat zusammengefügt sind.
Befeuchter (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranverbund (4) jeweils einen Rand (4c) mit einer verringerten Dicke aufweist.
Befeuchter (1) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranverbund (4) zwischen einer ersten Strömungsplatte (2‘) und einer zweiten Strömungsplatte (2) des Stapels (3) angeordnet ist, wobei die erste Strömungsplatte (2‘) gemäß Anspruch 9 ausgebildet ist und/oder wobei die zweite Strömungsplatte (2) gemäß Anspruch 10 ausgebildet ist und wobei der Membranverbund (4) mit seinem in der Dicke verringerten Rand (4c) an der ersten Auflagefläche (35‘) der ersten Strömungsplatte (2‘) anliegt und/oder an der zweiten Auflagefläche (34) der zweiten Strömungsplatte (2) anliegt.
Befeuchter (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranverbund (4) jeweils zwischen einer ersten Strömungsplatte (2‘) und einer zweiten Strömungsplatte (2) des Stapels (3) angeordnet ist und dass ein Rand (4c) des Membranverbundes (4) jeweils wenigstens teilweise in die Nut (25, 25a, 25b) der zweiten Strömungsplatte (2) hineinragt und zwischen der Nut (25, 25a, 25b) der zweiten Strömungsplatte (2) und der wenigstens teilweise in der Nut (25, 25a, 25b) der zweiten Strömungsplatte (2) aufgenommenen Sicke (28‘) verpresst ist.