DE102018213153A1 - Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mehreren zwischen Endplatten (5) mittels Zugstäben (7) verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Membran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist. Die Zugstäbe sind als Kühlmittelrohre bildende Hohlstäbe (17) gestaltet zur Durchleitung eines Kühlmediums. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mehreren zwischen Endplatten mittels Zugstäben verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran aufweisenden Befeuchtermodulen, bei denen beidseits der Membran jeweils ein Flussfeldrahmen mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.
  • Befeuchter im allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für wasserdampfdurchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Des Weiteren fällt im Brennstoffzellenstapel sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig Flüssigwasser an, das aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden muss. Der Befeuchter, der Wasserabscheider sowie der nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken weil hohe thermische Verluste vorliegen.
  • Von der Anmelderin bereits vorgeschlagen wurde, einen Befeuchter mit einer Mehrzahl an Befeuchtermodulen einzusetzen, die über ein Flussfeld definierende Stege verfügen, durch das ein gleichmäßigeres Bestreichen der Membran mit dem dieser Seite zugeordneten Medium ermöglicht. Bei derartigen Befeuchtern werden die Befeuchtermodule mittels Zugstäben verspannt.
  • In der DE 10 2016 113 740 A1 ist ein Konditionierungsmodul offenbart, das eine Kombination von einem Wärmeübertrager und einem Befeuchter mit geringem Bauraumbedarf bei gleichzeitig hohem möglichen Durchsatz bereitstellt, indem in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls eine erste Querschnittsfläche innerhalb einer zweiten Querschnittsfläche in einem zylindrischen Aufbau angeordnet ist.
  • In der WO 2017/102538 A1 ist ein Befeuchter mit integriertem Wasserabscheider beschrieben, der eine Vielzahl von separaten Abscheideelementen auf der einen Seite der Membran aufweist, um einen optimierten Feuchtigkeitsaustausch zwischen Abgas- und Betriebsmittelströmen einer Brennstoffzelle zu ermöglichen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter der eingangs genannten Art mit einem kostengünstigen Aufbau bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer gesteigerten Effizienz bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmal des Anspruches 8 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich hinsichtlich der Einfachheit seines Aufbaus aus, bei dem ein bereits als notwendig erkanntes Bauteil, nämlich die Zugstäbe, genutzt wird, um eine weitere Funktion zu erfüllen durch eine einfache Modifikation des konstruktiven Aufbaus der Zugstäbe. Indem nämlich die Zugstäbe als Hohlstäbe gestaltet sind, besteht die Möglichkeit, diese als Kühlmittelrohre zur Durchleitung eines Kühlmediums zu nutzen. Dabei ist zu beachten, dass das Kühlmedium sowohl zur Kühlung der in den Flussfeldern befindlichen Medien, insbesondere Gasen eingesetzt werden kann, wenn nämlich das Kühlmedium kühler als das Medium in dem Flussfeld ist. Das die Hohlstäbe als Kühlmittelrohre durchströmende Kühlmedium kann allerdings auch mit Wärme beladen sein, so dass eine Wärmeübertragung und damit Energiebereitstellung möglich ist.
  • Hinsichtlich der Einfachheit des Aufbaus ist es bevorzugt, wenn der Mehrzahl an Hohlstäben gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Kühlmediums zugeordnet sind. Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn zumindest die Flussfelder in den Flussfeldrahmen aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet sind, die zu einem verbesserten Wärmeaustausch beitragen. Dazu dient auch, dass die Oberfläche der Flussfelder zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche vergrößert ist durch Strukturen, die ausgewählt sind aus der Rippen, Lamellen und Flügel umfassenden Gruppe. Das wärmeleitfähige Material ist gebildet durch ein Metall oder einen wärmeleitfähigen, metallische Füllstoffe aufweisenden Kunststoff.
  • Günstig ist es weiterhin, wenn die Hohlstäbe mittels Dichtungen gegenüber den Flussfeldern abgedichtet sind, wobei die Dichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die O-Ringe, feuchtigkeitssensitive Expansionsdichtungen, Kleberdichtungen und Fugenmaterial umfasst. Die Kleberdichtungen können in einfacher Weise bei der Fertigung des Befeuchters eingesetzt werden, wobei alternativ oder ergänzend auch die Möglichkeit besteht, dass in den die Zugstangen aufnehmenden Löchern von Membran und/oder Flussfeldrahmen ein Material mit einer bei Befeuchtung hohen Ausdehnung platziert wird, so dass beim erstmaligen Einsatz des Befeuchters das Material aufquillt und als Expansionsdichtung die Dichtwirkung bereitstellt.
  • Eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Membranelektrodenanordnung aufweisenden Brennstoffzelle, deren Elektrodenräume über Reaktantenzuleitungen mit Reaktanten versorgbar sind und die über Reaktantenabgasleitungen verfügt, wird bereitgestellt, indem ein vorstehend beschriebenen Befeuchter in den Strömungspfad mindestens einer der Reaktantenzuleitungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschaltet ist, vorzugsweise auf der Kathodenseite, so dass der Befeuchter zur Konditionierung des Kathodengases genutzt werden kann.
  • Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, indem der Kühlmittelkreislauf des Klimagerätes die Hohlstäbe des Befeuchters einschließt, so dass das vom Verdichter stammende, den Befeuchter durchströmende Gas temperiert werden kann. Sofern Wasserspeicher im Befeuchter vorgesehen sind, wird zusätzlich das gespeicherte Wasser mit dem Kühlmittel temperiert, so dass dieses einfacher verdampfen und somit zur Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels beitragen kann.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine stark schematisierte Darstellung einer einen Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung,
    • 2 eine Explosionsdarstellung eines Befeuchtermoduls in der Abfolge Flussfeldrahmen-Dichtung-Membran-Dichtung-Membran,
    • 3 einen Befeuchter mit einer Mehrzahl zwischen Medienanschlüssen aufweisenden Endplatten angeordneten Befeuchtermodules, verspannt durch Zugstäbe,
    • 4 eine alternative Ausführungsform eines Flussfeldrahmens in einer Draufsicht mit den Durchführungen für die Hohlstäbe, teilweise gebrochen dargestellt,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts, mit den die Flussfeldrahmen und die Membran durchdringenden Hohlstäbe, und
    • 6 eine schematische Darstellung einer an den Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges angebundenen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst.
  • Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
  • Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler sowie in einem Befeuchter 4.
  • Der als Ausführungsbeispiel in der 3 gezeigte Befeuchter 4, weist zwei Endplatten 5 auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 angeordnet sind, wobei die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplatten 5 durch Zugstäbe 7 verspannt werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist für die Einfachheit der Darstellung die Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr der beiden Medien zu einer der Endplatten 5 getroffen, wobei für den Fall einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 die beiden Medien sich nur hinsichtlich ihres Feuchtegehalts unterscheiden, aber stofflich in der Regel Luft vorliegt. Generell besteht aber die Möglichkeit, dass die Medienanschlüsse 8 für eines der Medien gemeinsam auf einer der Endplatten 5 oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 angeordnet sind, und dass die Medienanschlüsse 8 für das andere Medium gemeinsam auf derselben oder der anderen Endplatte 5 wie die Medienanschlüsse 8 für das erste Medium oder getrennt auf den beiden Endplatten 5 mit invertierter Zuordnung der Medienanschlüsse 8 für die Zufuhr und die Abfuhr relativ zum ersten Medium angeordnet sind, also die in Reihe angeordneten Befeuchtermodule 6 hinsichtlich eines Mediums U-oder Z-förmig durchströmt werden können, während bei Betrachtung der beiden Medien gemeinsam auch ein Gegenstrom oder Kreuz-Gegenstrom möglich ist.
  • In der 2 ist der Aufbau eines einzelnen Beuchtermoduls 6 dargestellt. Dabei ist beidseits der Membran 9 jeweils ein Flussfeldrahmen 10 mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierender Stege 11 angeordnet und zwischen jedem der Flussfeldrahmen 10 und der Membran 9 eine Dichtung 12 angeordnet, so dass sich für die Einheit eines Befeuchtermoduls eine Abfolge Flussfeldrahmen 10 - Dichtung 12 - Membran 9 - Dichtung 12 - Flussfeldrahmen 10 ergibt.
  • Dabei weisen der Flussfeldrahmen 10 und die Stege 11 die gleiche Höhenerstreckung auf, während in dem Flussfeldrahmen 10 auf beiden Seiten der Stege 11 jeweils ein die Stege 11 positionierender Verbinder 13 mit gegenüber den Stegen 11 geringerer Höhenerstreckung angeordnet ist, der auf der Innenseite des Flussfeldrahmens 10 über Eck mit zwei aneinander grenzenden Schenkeln verbunden ist. Dieser Verbinder 13 stellt in dem Eck damit einen Sammler 14 für das Medium bereit, das infolge der geringen Höhenerstreckung des Verbinders 13 aus diesem Sammler 14 zwischen die Stege 11 verteilt wird zur Generierung des Flussfeldes. Da die Stege 11 die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrahmen 10, ist ein Austausch des Mediums zwischen den Stegen 11 nicht möglich und es findet eine gleichmäßige Verteilung des Mediums in dem Flussfeld über die gesamte Fläche der Membran 9 statt. Weil die Stege 11 weiterhin die gleiche Höhe aufweisen wie der Flussfeldrahmen 10, bewirken die Stege 11 auch eine Abstützung der Membran 9 und eine Erhöhung der mechanischen Stabilität des gesamten Befeuchtermoduls 6.
  • Die Dichtungen 12 sind als Dichtungsrahmen 15 gestaltet mit zwei gegenüberliegenden Querverbindern 16, die auf der Innenseite des Dichtungsrahmens 15 über Eck mit zwei aneinandergrenzenden Schenkeln verbunden sind, wobei auf einer Seite der Membran 9 die Verbinder 13 und die Querverbinder 16 komplementären Ecken zugeordnet sind, und wobei die Membran 9 die Gestalt eines Sechsecks aufweist, dessen Kanten den Verbindern 13, den Querverbindern 16 und den Rahmen 10, 15 zugeordnet sind.
  • Die 2 lässt somit erkennen, dass bei dem in 2 gezeigten unteren Flussfeldrahmen 10 im rechten Eck die Zuleitung des feuchten Mediums erfolgen kann, das über den Verbinder 13 zwischen die Stege 11 geleitet wird und über das gegenüberliegende Eck das Flussfeld und den Flussfeldrahmen 10 wieder verlassen kann. In dem in der 2 gezeigten oberen Flussfeldrahmen 10 ist der Verlauf der Stege 11 um einen Winkel von 90 Grad gegenüber dem Verlauf der Stege 11 in dem unteren Flussfeldrahmen 10 versetzt. Der Verbinder 13 in dem oberen Flussfeldrahmen 10 schafft wiederum die Möglichkeit der Zuleitung des trockenen Mediums zwischen die Stege 11 und der Abfuhr des trockenen Mediums zwischen den Stegen 11 aus dem gegenüberliegenden Eck des oberen Flussfeldrahmens 10.
  • Es ist zu beachten, dass infolge der den Dichtungsrahmen 15 zugeordneten Querverbinder 16 eine Gasdichtheit zwischen den beiden Medien und auch nach außen bereitgestellt ist. Bei den in Reihe angeordneten Befeuchtermodulen 6 zwischen den Endplatten 5 bestehen damit für die beiden Medien getrennte Zuleitungskanäle und Ableitungskanäle.
  • Das Befeuchtermodul 6 als eine Einheit kann insgesamt nach außen im Bereich der Stege 11 abgedichtet sein, alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass jeweils zwei der Befeuchtermodule 6 zu einem Modulpaar zusammengefasst sind, und dass auf der zueinanderweisenden Seite die Flussfeldrahmen 10 für das identische Medium angeordnet sind, so dass identisch gefertigte Befeuchtermodule 6 in Reihe angeordnet werden können, ohne dass aus dem Flussfeldrahmen 10 für das feuchte Medium in den angrenzenden Flussfeldrahmen 10 für das trockene Medium ein Austausch stattfinden kann.
  • Die Dichtung 12 kann als Einlegedichtung ausgeführt sein, für die Materialien, wie PTFE oder EPDM geeignet sind. Für die Membran 9 ist die Verwendung von Polymermembranen, wie zum Beispiel sulfonierte Membranen denkbar; gleichfalls sind Baumwollmembranen geeignet.
  • Da der Befeuchter aus mehreren durch Zugstäbe 7 verspannten Befeuchtermodulen 6 besteht, ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass die Zugstäbe 7 als Kühlmittelrohre bildende Hohlstäbe 17 gestaltet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums, das durch gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung durch die Hohlstäbe 17 geführt wird. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf der Gasseite sollen die Flussfelder aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere einem Metall wie Aluminium oder Stahl hergestellt werden. Denkbar ist auch, einen Kunststoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit zu verwenden, wobei die hohe thermische Leitfähigkeit des Kunststoffes über metallische Füllstoffe bereitgestellt werden kann.
  • 4 zeigt, dass abweichend von der Darstellung in 3 eine Anordnung der Zugstäbe 7 auch im Inneren des Befeuchters 4 möglich ist, wobei die in 4 gezeigte Positionierung der Hohlstäbe 17 eine frühzeitige Gasvorwärmung mit der Folge einer besseren Wasseraufnahme bewirkt.
  • 5 verweist darauf, dass die Hohlstäbe 17 mittels Dichtungen 18 gegenüber den Flussfeldrahmen 10 und der Membran 9 abgedichtet sind, wobei eine Dichtwirkung durch Klebestellen oder in einfacher Weise durch O-Ringe erzielt werden kann.
  • Bei der in der 5 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorausgesetzt, wobei der Kühlmittelkreislauf des Klimagerätes an die Hohlstäbe 17 des Befeuchters 4 angeschlossen ist, um das den Befeuchter 4 durchströmende Gas zu temperieren und durch die Nutzung der Abwärme des Klimagerätes die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und damit des Kraftfahrzeuges insgesamt zu verbessern. Sofern Wasserspeicher in dem Befeuchter 4 angeordnet sind, besteht die zusätzliche Möglichkeit, das gespeicherte Wasser mit dem Kühlmittel zu temperieren und somit einfacher zu verdampfen und zur Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 2 beizutragen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenvorrichtung
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Verdichter
    4
    Befeuchter
    5
    Endplatten
    6
    Befeuchtermodule
    7
    Zugstäbe
    8
    Medienanschlüsse
    9
    Membran
    10
    Flussfeldrahmen
    11
    Steg
    12
    Dichtung
    13
    Verbinder
    14
    Sammler
    15
    Dichtungsrahmen
    16
    Querverbinder
    17
    Hohlstäbe
    18
    Dichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016113740 A1 [0004]
    • WO 2017/102538 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Befeuchter (4) mit mehreren zwischen Endplatten (5) mittels Zugstäben (7) verspannten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Membran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstäbe als Kühlmittelrohre bildende Hohlstäbe (17) gestaltet sind zur Durchleitung eines Kühlmediums.
  2. Befeuchter (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Hohlstäben (17) gemeinsame Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Kühlmediums zugeordnet sind.
  3. Befeuchter (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Flussfelder in den Flussfeldrahmen (10) aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet sind.
  4. Befeuchter (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Flussfelder zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche vergrößert ist durch Strukturen, die ausgewählt sind aus der Rippen, Lamellen, Flügel umfassenden Gruppe.
  5. Befeuchter (4) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material gebildet ist durch ein Metall oder einen wärmeleitfähigen, metallische Füllstoffe aufweisenden Kunststoff.
  6. Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstäbe (17) mittels Dichtungen (18) gegenüber den Flussfeldern und/oder der Membran (9) abgedichtet sind.
  7. Befeuchter (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe, die O-Ringe, feuchtigkeitssensitive Expansionsdichtungen, Kleberdichtungen, Fugendichtmaterial umfasst.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer eine Membranelektrodenanordnung aufweisenden Brennstoffzelle, deren Elektroden Elektrodenräume zugeordnet sind, die über Reaktantenzuleitungen mit Reaktanten versorgbar sind und die über Rektantenabgasleitungen verfügt, gekennzeichnet durch einen Befeuchter (4) nach den Ansprüche 1 bis 7, der in den Strömungspfad mindestens einer der Reaktantenzuleitungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschaltet ist.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkreislauf eines Klimagerätes die Hohlstäbe (17) des Befeuchters einschließt.
  10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Befeuchter (4) ein Wasserspeicher vorgesehen ist, der im thermischen Kontakt mit den Hohlstäben (17) steht.
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CN201980052176.2A CN112514124A (zh) 2018-08-07 2019-06-28 加湿器、带有加湿器的燃料电池装置以及机动车
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US17/266,522 US11757112B2 (en) 2018-08-07 2019-06-28 Humidifier, fuel cell device having a humidifier, and motor vehicle

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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4414057A1 (de) * 2023-02-08 2024-08-14 MANN+HUMMEL GmbH Stapelplattenvorrichtung und befeuchter für ein brennstoffzellensystem

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011016048A1 (de) * 2011-04-04 2012-10-04 Li-Tec Battery Gmbh Energiespeichervorrichtung mit einer Temperiereinrichtung
DE102014218330A1 (de) * 2014-09-12 2016-03-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Energiebereitstellungsmodul für eine in einem Fahrzeug angeordnete Spannungsversorgungsvorrichtung

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6149810A (en) * 1994-11-23 2000-11-21 Lynntech, Inc. Membrane with supported internal passages
JP2000357531A (ja) 1999-06-15 2000-12-26 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
EP1366535B1 (de) 2001-03-02 2004-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Planare und im wesentlichen rechteckige brennstoffzelle sowie brennstoffzellenblock
EP1298750A1 (de) 2001-09-27 2003-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenblock mit Befeuchtungszellen
DE112004000908T5 (de) 2003-05-30 2006-04-13 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Befeuchtungsvorrichtung
JP2005156062A (ja) * 2003-11-27 2005-06-16 Nissan Motor Co Ltd 加湿器
CA2648655C (en) 2006-05-29 2013-09-24 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell stack
JP2007323813A (ja) 2006-05-30 2007-12-13 Hitachi Ltd 固体高分子形燃料電池システム
US20080217795A1 (en) * 2007-03-07 2008-09-11 Alexander Gofer Humidifier device for fuel cell
JP4957365B2 (ja) * 2007-05-08 2012-06-20 パナソニック株式会社 燃料電池装置
US8919746B2 (en) * 2011-01-13 2014-12-30 Dana Canada Corporation Humidifier for fuel cell systems
DE202013009357U1 (de) 2013-06-27 2015-01-16 Dana Canada Corporation Integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102013221881A1 (de) 2013-10-28 2015-04-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem
DE102015122144A1 (de) 2015-12-17 2017-06-22 Volkswagen Ag Befeuchter mit integriertem Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen
DE102016113740A1 (de) 2016-07-26 2018-02-01 Audi Ag Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit diesem Konditionierungsmodul
DE202016105309U1 (de) * 2016-09-23 2018-01-09 Reinz-Dichtungs-Gmbh Befeuchter
FR3073091B1 (fr) * 2017-10-30 2019-10-25 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Motif elementaire reversible d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou de pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression et effort de compression decouple

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011016048A1 (de) * 2011-04-04 2012-10-04 Li-Tec Battery Gmbh Energiespeichervorrichtung mit einer Temperiereinrichtung
DE102014218330A1 (de) * 2014-09-12 2016-03-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Energiebereitstellungsmodul für eine in einem Fahrzeug angeordnete Spannungsversorgungsvorrichtung

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