DE102018001871A1

DE102018001871A1 - Humidifying device for a fuel cell system

Info

Publication number: DE102018001871A1
Application number: DE102018001871.8A
Authority: DE
Inventors: Leif-Patrik Barthel; Johannes Biesdorf; Reiner Jost; Alfred Kolbe; Andreas Röntgen; Christian Stasch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit mehreren wasserdampfdurchlässigen Membranen (2), welche abwechselnd mit Strömungsverteilern (3a, 3b) gestapelt sind, wobei der Stapel (1) randseitig mit einer Dicht- und Klebemasse (5) verbunden ist, und wobei der Stapel (1) in einem Gehäuse (6) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Dicht- und Klebemasse (5) den Stapel (1) in dem Gehäuse (6) fixiert.

The invention relates to a humidifying device for a fuel cell system with a plurality of water vapor permeable membranes (2), which are stacked alternately with flow distributors (3a, 3b), the stack (1) is peripherally connected to a sealing and adhesive compound (5), and wherein the Stack (1) in a housing (6) is arranged. According to the invention, it is provided that the sealing and adhesive compound (5) fixes the stack (1) in the housing (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit mehreren für Wasserdampf durchlässigen Membranen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a humidifying device for a fuel cell system having a plurality of membranes permeable to water vapor according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Befeuchtungsvorrichtungen für Brennstoffzellensysteme sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Das Prinzip beruht darauf, dass trockene Zuluft zu der Brennstoffzelle auf der einen Seite von für Wasserdampf durchlässigen Membranen geführt wird. Auf der anderen Seite strömt die mit der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle beladene Abluft, sodass die Feuchtigkeit zumindest teilweise von der Abluft auf die Zuluft übertragen wird, ohne dass die Luftströme selbst sich vermischen.Humidifying devices for fuel cell systems are known in principle from the prior art. The principle is based on the fact that dry supply air to the fuel cell on one side of water vapor permeable membranes is performed. On the other hand, the exhaust air laden with the moisture from the fuel cell flows, so that the moisture is at least partially transferred from the exhaust air to the supply air without the air streams themselves mixing.

In der Praxis ist es so, dass beispielsweise wasserdampfdurchlässige Membranen in flächiger Ausführung abwechselnd mit Strömungsverteilern, sogenannten Flow Fields, aufgestapelt werden. Diese Stapel werden dann randseitig mit einer Dicht- und Klebemasse verbunden und die entstandenen Strömungsräume somit in der gewünschten Art und Weise verklebt. Die Stapel müssen dabei auch streckenweise frei von der Klebemasse sein, sodass beispielsweise seitlich offene Strömungsverteiler angeströmt werden können. Die fertigen Stapel werden dann in ein Gehäuse eingesetzt, welches entsprechende Zuleitungen und Ableitungen für die Zuluft- und Abluftströme aufweist.In practice, it is the case, for example, that membranes which are permeable to water vapor in a planar design are stacked alternately with flow distributors, so-called flow fields. These stacks are then connected on the edge side with a sealing and adhesive compound and thus the resulting flow spaces are glued in the desired manner. The stacks must also be partially free from the adhesive, so that, for example, laterally open flow distributors can be flown. The finished stacks are then inserted into a housing which has corresponding supply lines and outlets for the supply and exhaust air streams.

In diesem Zusammenhang kann auf die DE 10 2012 019 541 A1 hingewiesen werden. Aus dieser Schrift ist eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem bekannt. Der Stapel wird dabei in der oben beschriebenen Art und Weise aufgebaut und über die Dicht- und Klebemasse entsprechend fixiert, sodass letztlich ein selbsttragender Stapel entsteht, welcher anschließend in das Gehäuse eingelegt wird. Um einen solchen Aufbau ausreichend abzudichten, sind dann relativ enge Toleranzen bei der Herstellung des Stapels notwendig, sodass dieser mit geeigneten Dichtflächen in dem Gehäuse zusammenwirken kann. Durch das Aufstapeln der einzelnen Membranen und Strömungsverteiler ist dies in der Herstellungspraxis außerordentlich aufwändig. Deshalb kann die beschriebene Befeuchtungsvorrichtung nur mit relativ hohem Montageaufwand zuverlässig dicht hergestellt werden.In this context, on the DE 10 2012 019 541 A1 be pointed out. From this document, a humidifying device for a fuel cell system is known. The stack is constructed in the manner described above and fixed accordingly over the sealing and adhesive, so that ultimately a self-supporting stack is formed, which is then inserted into the housing. In order to adequately seal such a structure, then relatively tight tolerances in the manufacture of the stack are necessary so that it can cooperate with suitable sealing surfaces in the housing. Due to the stacking of the individual membranes and flow distributors, this is extremely complicated in manufacturing practice. Therefore, the moistening device described can be made reliable tight only with relatively high assembly costs.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Befeuchtungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet, einfach aufgebaut ist und eine einfache und effiziente Montage erlaubt.The object of the present invention is therefore to provide a moistening device according to the preamble of claim 1, which avoids the disadvantages mentioned, is simple in construction and allows easy and efficient installation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Befeuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a moistening device with the features in claim 1, and in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and developments emerge from the dependent subclaims.

Die erfindungsgemäße Befeuchtungsvorrichtung sieht es vor, dass die Dicht- und Klebemasse den Stapel nicht nur in sich verbindet und abdichtet, wie es im Stand der Technik der Fall ist, sondern auch in dem Gehäuse fixiert. Der Stapel kann also über die Dicht- und Klebemasse in dem Gehäuse fixiert und gehalten werden. Ist die Dicht- und Klebemasse ausgehärtet, wird der Stapel so zuverlässig in dem Gehäuse gehalten und die einzelnen Bereiche des Stapels, insbesondere die einzelnen Stirnseiten werden innerhalb des Gehäuses durch die Dicht- und Klebemasse und die Ausgestaltung des Gehäuses gegeneinander abgedichtet, sodass in dem Gehäuse die unterschiedlichen Stirnseiten, oder zumindest einige hiervon, mit unterschiedlichen Volumenströmen angeströmt werden können. Damit werden die Abdichtung, die Fixierung und der Einbau des Stapels in das Gehäuse über ein und dieselbe Dicht- und Klebemasse in vorzugsweise einem einzigen Arbeitsgang erreicht.The moistening device according to the invention provides that the sealing and adhesive compound not only binds and seals the stack in itself, as is the case in the prior art, but also fixed in the housing. The stack can thus be fixed and held in the housing via the sealant and adhesive. If the sealant and adhesive cured, the stack is held so reliable in the housing and the individual areas of the stack, in particular the individual end faces are sealed within the housing by the sealing and adhesive composition and the design of the housing against each other, so in the housing the different end faces, or at least some of them, can be flown with different volume flows. Thus, the sealing, fixing and installation of the stack in the housing over one and the same sealing and adhesive material are achieved in preferably a single operation.

Insbesondere bei rechteckigen oder quadratischen Gehäuseformen, welche an lediglich einer Seite geöffnet werden können, ist es nun so, dass der mit der Dicht- und Klebemasse versehene Stapel in dieses Gehäuse eingeschoben werden muss. Typischerweise entlang von parallel verlaufenden Wänden. Es kann bei dieser Art der Montage dazu kommen, dass Dicht- und Klebemasse an den Wänden haften bleibt und beim Einschieben des Stapels in die Gehäusehälfte aus ihrer Position verschoben wird. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen, dass das Gehäuse bezogen auf die Aufnahme des Stapels diagonal geteilt ausgeführt ist. Die Teilung des Gehäuses erfolgt also nicht so, dass alle Wandungen des geteilten Gehäuses parallel zueinander verlaufen, sondern so, dass wenigstens zwei der Wandungen in einem Winkel zueinander stehen. Insbesondere kann das Gehäuse entlang einer Diagonalen geteilt werden. Das Einbringen des mit der Dicht- und Klebemasse versehenen Stapels in ein solches Gehäuse ist dann sehr viel einfacher und kann typischerweise erfolgen, ohne dass die Dicht- und Klebemasse am Gehäuse anhaftet und in ihrer Position verschoben wird, insbesondere wenn die in einem Winkel zueinander stehenden Seitenwände die mit den Stirnseiten des Stapels zusammenwirkenden Seitenwände sind. Der Stapel kann dann außerordentlich effizient, und ohne dass die Gefahr besteht, dass Klebemasse in ihrer Position verschoben wird, eingebracht werden. Anschließend kann die zweite Gehäusehälfte aufgesetzt werden, ohne dass auch hier die Gefahr besteht, die Dicht- und Klebemasse in ihrer Position zu verschieben.In particular, in the case of rectangular or square housing shapes, which can be opened on only one side, it is now the case that the stack provided with the sealant and adhesive mass has to be pushed into this housing. Typically along parallel walls. It may happen in this type of mounting that sealant and adhesive adhere to the walls and is moved when inserting the stack in the housing half from its position. To counteract this problem, it is provided according to a particularly favorable and advantageous embodiment of the moistening device according to the invention, that the housing is carried out diagonally divided based on the recording of the stack. The division of the housing is thus not so that all walls of the split housing parallel to each other, but so that at least two of the walls are at an angle to each other. In particular, the housing can be divided along a diagonal. The introduction of the provided with the sealing and adhesive mass stack in such a housing is then much simpler and can typically be done without the sealant and adhesive adheres to the housing and is moved in position, especially when standing at an angle Sidewalls are the cooperating with the end faces of the stack side walls. The stack can then be introduced extremely efficiently and without the risk of the adhesive being displaced into position. Subsequently the second half of the housing can be placed without the risk of moving the sealant and adhesive in their position.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt ebendiese bereits angedeutete Montage einer Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, bei welcher die Membranen und die Strömungsverteiler abwechselnd zu einem Stapel geschichtet werden, wonach der Stapel randseitig an den vorgesehenen Stellen mit Dicht- und Klebemasse versehen wird, wonach der Stapel erfindungsgemäß, und zwar bevor die Dicht- und Klebemasse aushärtet, in eine Hälfte des Gehäuses eingebracht wird. Das Gehäuse wird dann durch seine andere Hälfte verschlossen.The inventive method describes ebendiese already indicated assembly of a humidifying device for a fuel cell system in which the membranes and flow distributors are alternately stacked to form a stack, after which the stack is provided at the edge of the designated places with sealant and adhesive, after which the stack according to the invention, and Although before the sealant and adhesive hardens, is introduced into one half of the housing. The housing is then closed by its other half.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee können die beiden Hälften des Gehäuses ihrerseits verklebt werden, insbesondere mit derselben Dicht- und Klebemasse, welche zur Verklebung des Stapels selbst und zum Einkleben des Stapels in das Gehäuse bereits genutzt worden ist. Dies ermöglicht eine außerordentlich einfache und effiziente Montage, welche einer automatisierten Serienfertigung sehr gut zugänglich ist und die Fehlerhäufigkeit ebenso wie die Fertigungszeit reduziert.According to a very advantageous embodiment of the idea, the two halves of the housing in turn can be glued, in particular with the same sealing and adhesive, which has already been used for bonding the stack itself and for sticking the stack in the housing. This allows an extremely simple and efficient installation, which is easily accessible to an automated series production and reduces the error rate as well as the production time.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung und ihres Montageverfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the moistening device according to the invention and its assembly method will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch einen Teil eines Stapels von Membranen und Strömungsverteilern;
2 eine Prinzipdarstellung eines Stapels mit aufgebrachter Dicht- und Klebemasse; und
3 der in ein teilweise geöffnetes Gehäuse eingesetzte Stapel gemäß 2.

Showing:

1 a schematic sectional view through part of a stack of membranes and flow distributors;
2 a schematic diagram of a stack with applied sealant and adhesive; and
3 the stack used in a partially open housing according to 2 ,

In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Ausschnitt aus einem Teil eines Stapels 1 aus für Wasserdampf durchlässigen Membranen 2 und abwechselnd dazu gestapelten Strömungsverteilern 3a, 3b zu erkennen. Die Strömungsverteiler 3a, 3b, welche auch als Flussfelder beziehungsweise Flow Fields bezeichnet werden, weisen dabei Strömungskanäle 4 auf, welche im Beispiel des Strömungsverteilers 3a in der Zeichenebene von rechts nach links und im Falle des Strömungsverteilers 3b senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen. Die Strömungsverteiler 3a, 3b können auch in Form eines einzigen Strömungsverteilers entsprechend ausgeführt sein. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel ist rein beispielhaft zur Erläuterung des Funktionsprinzips zu verstehen.In the presentation of the 1 is purely an example of a section of a part of a stack 1 made of water vapor permeable membranes 2 and alternately stacked flow distributors 3a . 3b to recognize. The flow distributors 3a . 3b , which are also referred to as flow fields or flow fields, have flow channels 4 on, which in the example of the flow distributor 3a in the drawing plane from right to left and in the case of the flow distributor 3b perpendicular to the plane of the drawing. The flow distributors 3a . 3b can also be designed accordingly in the form of a single flow distributor. The exemplary embodiment illustrated here is to be understood purely as an example for explaining the functional principle.

Durch die einen Strömungskanäle 4, beispielsweise die des Strömungsverteilers 3a, strömt nun mit Feuchtigkeit beladene Abluft des Brennstoffzellensystems, durch die anderen Strömungskanäle 4, beispielsweise die des Strömungsverteilers 3b, strömt die trockene Zuluft zur Brennstoffzelle. Die für Wasserdampf durchlässigen Membranen 2 lassen dabei den Wasserdampf entsprechend passieren, sodass, ohne dass die Luftströme an sich vermischt werden, Feuchtigkeit von dem feuchten Abluftstrom auf den trockenen Zuluftstrom übertragen wird und dieser vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet wird. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt.Through the one flow channels 4 , For example, the flow distributor 3a , now flows with moisture-laden exhaust air of the fuel cell system, through the other flow channels 4 , For example, the flow distributor 3b , the dry supply air flows to the fuel cell. The water vapor permeable membranes 2 allow the water vapor to pass accordingly, so that, without the air flows are mixed in itself, moisture is transferred from the moist exhaust air stream to the dry supply air stream and this is moistened before entering the fuel cell. This structure is known from the prior art.

In der Darstellung der 2 ist nun der Stapel 1 nochmals beispielhaft dargestellt. Er ist quaderförmig ausgebildet und soll zumindest auf allen seinen zwölf Seitenkanten mit einer Dicht- und Klebemasse 5 versehen sein, beispielsweise in Form eines aufgetragenen Streifens der Dicht- und Klebemasse 5, welcher auch als Klebe- oder Dichtraupe bezeichnet werden kann. Diese kann beispielsweise aus einer Spritze in pastöser Form durch eine Relativbewegung der Spritze gegenüber der Kante des Stapels 1 aufgebracht sein. Die Dicht- und Klebemasse 5, welche prinzipiell auch noch an anderen Teilen, beispielsweise zwischen den einzelnen Schichten des Stapels 1 aufgebracht werden kann, verbindet die Teile des Stapels 1 und dichtet diese gegeneinander ab. Gleichzeitig dient die Dicht- und Klebemasse 5 dazu, den Stapel 1 in einem Gehäuse 6, welches in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, zu fixieren. Das Gehäuse 6 ist dabei bezogen auf die Aufnahme des Stapels 1 diagonal geteilt, sodass zumindest zwei der Seitenwände oder Aufnahmen, welche mit dem Stapel 1 entsprechend korrespondieren, in einem sich öffnenden Winkel zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann der Stapel 1 mit der bereits aufgetragenen Dicht- und Klebemasse 5 einfach und effizient in den einen Teil 6a des Gehäuses 6 eingebracht werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Dicht- und Klebemasse 5 in Bereiche verschoben wird, in denen sie Kanäle 4 des Stapels 1 verstopfen könnte. Wenn der Stapel 1 in die eine Gehäusehälfte 6a eingebracht worden ist, wie es in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, dann wird die andere Gehäusehälfte 6b aufgesetzt. Durch die diagonale Teilung bezogen auf die Aufnahme des Stapels 1 kann auch beim Aufsetzen der Gehäusehälfte 6b auf die Gehäusehälfte 6a die bereits am Stapel 1 befindliche Dicht- und Klebemasse 5 nicht in unerwünschte Bereiche verschoben werden. Die Montage des Stapels 1 in das Gehäuse 6 und die Abdichtung können deshalb außerordentlich einfach und effizient in wenigen Montageschritten erfolgen. Die Zu- und Ableitung der Gase erfolgt dann entsprechend in das Gehäuse 6, beispielsweise in der dargestellten Art, dass in die Gehäusehälfte 6a unten die trockene Zuluft einströmt und aus der Gehäusehälfte 6b oben wieder abströmt und dass die feuchte Abluft in der Darstellung der 3 bei aufgesetzter oberer Gehäusehälfte 6b links in das Gehäuse 6 einströmen und rechts wieder abströmen würde, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Die durchgezogenen Pfeile versinnbildlichen dabei die zu befeuchtende Zuluft, die strichpunktierten Pfeile die feuchte Abluft.In the presentation of the 2 is now the stack 1 again exemplified. It is cuboidal and should at least on all its twelve side edges with a sealing and adhesive 5 be provided, for example in the form of a coated strip of the sealant and adhesive 5 , which can also be referred to as adhesive or sealing bead. This can for example consist of a syringe in pasty form by a relative movement of the syringe relative to the edge of the stack 1 be upset. The sealant and adhesive 5 , which in principle also on other parts, for example, between the individual layers of the stack 1 can be applied, connecting the parts of the stack 1 and seal them against each other. At the same time, the sealant and adhesive serve 5 to the pile 1 in a housing 6 , which in the representation of the 3 to recognize, to fix. The housing 6 is related to the inclusion of the stack 1 divided diagonally, so that at least two of the side walls or shots, which with the stack 1 Corresponding correspond, are arranged in an opening angle to each other. This allows the stack 1 with the already applied sealant and adhesive 5 easy and efficient in one part 6a of the housing 6 be introduced without the risk that the sealant and adhesive 5 is moved to areas where they have channels 4 of the pile 1 could clog. When the pile 1 in the one half of the housing 6a has been introduced, as shown in the illustration of 3 can be seen, then the other half of the housing 6b placed. Due to the diagonal division based on the inclusion of the stack 1 can also when putting the housing half 6b on the case half 6a already at the stack 1 sealant and adhesive 5 not be moved into unwanted areas. The assembly of the stack 1 in the case 6 and the sealing can therefore be extremely simple and efficient in a few assembly steps. The supply and discharge of the gases then takes place accordingly in the housing 6 , For example, in the illustrated manner that in the housing half 6a below the dry supply air flows in and out of the housing half 6b above again flows out and that the moist exhaust air in the representation of 3 with attached upper half of the housing 6b left in the case 6 would flow in and flow out right again, as indicated by the arrows. The solid arrows symbolize the supply air to be humidified, the dot-dashed arrows the humid exhaust air.

Durch ein und dieselbe Dicht- und Klebemasse 5 werden so die einzelnen Elemente des Stapels 1 sowohl miteinander verbunden als auch gegeneinander abgedichtet. Gleichzeitig wird über die Dicht- und Klebemasse 5 der Stapel 1 in dem Gehäuse 6 nach Aushärten der Dicht- und Klebemasse 5 fixiert, sodass die gesamte Montage außerordentlich einfach und effizient in wenigen Fertigungsschritten, idealerweise automatisiert in einer Serienfertigung, erfolgen kann.By one and the same sealant and adhesive 5 so are the individual elements of the stack 1 both joined together and sealed against each other. At the same time is about the sealing and adhesive 5 the stack 1 in the case 6 after curing of the sealant and adhesive 5 fixed, so that the entire assembly can be extremely simple and efficient in a few production steps, ideally automated in a mass production.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012019541 A1 [0004]

Claims

Humidifying device for a fuel cell system with a plurality of water vapor permeable membranes (2), which are stacked alternately with flow distributors (3a, 3b), wherein the stack (1) is peripherally connected to a sealing and adhesive compound (5), and wherein the stack (1) is arranged in a housing (6), characterized in that the sealing and adhesive compound (5) fixes the stack (1) in the housing (6).

Humidifying after Claim 1 , characterized in that the housing (6) with respect to the receptacle of the stack (1) is designed diagonally divided.

Method for mounting a humidifying device for a fuel cell system, in which membranes permeable to water vapor (2) and flow distributors (3a, 3b) are alternately stacked to form a stack (1), after which the stack (1) is provided with a sealing edge at the intended locations and adhesive (5) is provided, characterized in that the stack (1) is introduced with not yet cured sealant and adhesive (5) in one half (6a) of a housing (6), after which the housing (6) with his other half (6b) is closed.

Method according to Claim 3 , characterized in that the two halves (6a, 6b) of the housing (6) are glued together.

Method according to Claim 4 , characterized in that for bonding the halves (6a, 6b) of the housing (6) the same sealing and adhesive compound (5) is used, as for bonding the stack (1) and for its fixation in the housing (6).