DE102018213154A1

DE102018213154A1 - Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018213154A1
Application number: DE102018213154.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Oliver Berger; Rune Staeck
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter (4) mit mindestens einem Befeuchtermodul (6), das eine gasdurchlässige Membran (7) aufweist, die zwischen zwei jeweils ein Flussfeld bildenden porösen Flussfeldlagen (5) angeordnet ist. Die Porosität mindestens einer der Flussfeldlagen (5) ist auf einer der Membran (7) zuweisenden Seite in einer Lagenschicht (10) geringer als in einem membranfernen Bereich der Flussfeldlage (5). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Befeuchter (4) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul, das eine gasdurchlässige Membran aufweist, die zwischen zwei jeweils ein Flussfeld bildenden porösen Flussfeldlagen angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Befeuchter sowie ein Kraftfahrzeug.
Befeuchter werden im allgemeinen 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 dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Zuluft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
Ein derartiger Befeuchter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 ist aus der DE 20 2016 101 716 U1 bekannt, die auch den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Befeuchtungmoduls für einen Befeuchter erläutert. Bei diesem Befeuchter sind zwischen zwei Flussfelder bildenden Separatorplatten aus Polypropylen hergestellte Gasdiffusionslagen angeordnet, zwischen denen ihrerseits die Membran positioniert ist. Die Gasdiffusionslagen weisen dabei in einem be- oder entfeuchtenden Bereich mindestens eine senkrecht zu einer Planebene verlaufende, durchgehende Perforation auf.
Die DE 10 2005 028 718 A1 offenbart für einen Befeuchter eine Hohlfaseranordnung, bei der wasserdampfdurchlässige Hohlfasern vorliegen, wobei ein erster Luftstrom innerhalb der Hohlfasern und ein zweiter Luftstrom außerhalb der Hohlfasern geführt wird. Die Hohlfasern sind durch eine jeweils zwischen den Hohlfasern angeordnete Einrichtung voneinander beabstandet, die aus einer senkrecht zum zweiten Luftstrom angeordneten flächigen Vliesstoffbahn gebildet ist.
Bei der zwischen porösen Flussfeldlagen angeordneten Membran bietet sich der Vorteil, dass die Membran auf den porösen Flussfeldlagen gelagert und gestützt wird. Die porösen Flussfeldlagen selber weisen eine möglichst große Porosität auf, um so die Druckverluste beim Durchströmen der Flussfeldlagen mit den zugeordneten Gasen zu minimieren. Aufgrund der Maximierung der Porosität reduziert sich die Auflagefläche für die Membran, sodass diese beim Verspannen des Befeuchtermoduls in dem Befeuchter in die Flussfeldlagen gedrückt wird, was zu einer Schädigung der Membran führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter bereitzustellen, bei dem die Schädigung der Membran vermindert oder sogar beseitigt ist. Aufgabe ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Befeuchter ergibt sich der Vorteil, dass die Porosität der Flussfeldlage unverändert gegeben ist, wobei allerdings keine isotrope Porosität mehr vorliegt, sondern die Porosität insbesondere senkrecht zu der Strömungsrichtung in den Flussfeldlagen modifiziert wird, dergestalt, dass auf der der Membran zuweisenden Seite die Porosität verringert ist, also weniger und/oder weniger große Poren vorliegen. Die die Reduktion der Auflagefläche für die Membran ist somit vermindert, also eine möglichst große Auflagefläche bereitgestellt ist und somit ein besserer Schutz der Membran vor einer Schädigung vorliegt.
Für eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Befeuchters ist es bekannt, eine Mehrzahl der Befeuchtermodule in einer Reihenanordnung vorzusehen. Dabei bietet sich dann an, dass die zwischen zwei benachbarten Membranen angeordnete poröse Flussfeldlage auf den beiden den benachbarten Membranen zuweisenden Seite in jeweils einer Lagenschicht eine gegenüber dem Mittenbereich geringere Porosität aufweist, sodass durch einen symmetrischen Aufbau der Flussfeldlage auf deren beiden Seiten gegenüber der zugeordneten Membran eine verbesserte Lagerung und Abstützung der Membran gegeben ist.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Änderung der Porosität innerhalb der Flussfeldlage zwischen der Lagenschicht und dem membranfernen Bereich kontinuierlich oder gestuft erfolgt; es kann also ein Sprung in der Porosität in der senkrecht zur Strömungsrichtung liegenden Orientierung vorliegen, sodass klar abgegrenzte Bereiche unterschiedlicher Porosität gegeben sind. Diese klar abgegrenzten Bereiche sind allerdings nicht zwingend erforderlich, sodass auch eine kontinuierliche Änderung der Porosität möglich ist und größere Freiheiten bei der Fertigung der Flussfeldlagen mit zugeordneter Lagenschicht bestehen.
Insbesondere besteht auch die Möglichkeit, dass die Flussfeldlage mehrteilig gebildet ist, mit einem die Lagenschicht bildenden ersten Lagenteil und einem den membranfernen Bereich bzw. den Mittenbereich bildenden zweiten Lagenteil. Damit besteht die Möglichkeit einer getrennten Fertigung des ersten Lagenteils und des zweiten Lagenteils, wobei auch unterschiedliche Fertigungsverfahren eingesetzt werden können und beispielsweise die Parameter beim Aufschäumen des das ersten Lagenteil und des das zweiten Lagenteil bildenden Materials variiert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, generative Fertigungsverfahren zur Herstellung des ersten Lagenteils und/oder des zweiten Lagenteils einzusetzen.
Zu beachten ist auch, dass bei der Herstellung des ersten Lagenteils und des zweiten Lagenteils nicht zwingend die Porosität variiert werden muss, sondern auch die Möglichkeit besteht, dass das erste Lagenteil gegenüber dem zweiten Lagenteil weicher ist, und dass nach dem Verpressen der Flussfeldlage innerhalb des Befeuchtermoduls die geringere Porosität des ersten Lagenteils im Vergleich zum zweiten Lagenteil gegeben ist. Da das erste Lagenteil beim Verpressen des Befeuchtermoduls stärker deformiert wird, erfolgt dadurch auch eine Variation, nämlich eine Verringerung der Porosität, sodass in dieser Ausführungsform ausgenutzt ist, dass die im ersten Lagenteil gegebene geringere Porosität nicht stets, sondern nur im eingebauten, verpressten Zustand gegeben sein muss.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das erste Lagenteil starr ausgebildet ist, mit einer vorgegebenen Lochstruktur, insbesondere, dass das erste Lagenteil als Lochblech gebildet ist mit die Poren bereitstellenden Kanälen. Durch diese starre Ausbildung des ersten Lagenteils ist besonders die Funktion der Lagerung und der Stützung der Membran optimiert, wobei beim Verpressen unveränderliche Poren bereitgestellt sind, also das Porenbild fest vorgegeben werden kann, was zu einer besonders gleichmäßigen Verteilung der Gase relativ zu der Membran führt.
Zu beachten ist weiterhin, dass das Befeuchtermodul frei von Separatorplatten gebildet ist, also die Flussfeldlagen selber genutzt werden, um die Flussfelder bereitzustellen, sodass sich ein besonders einfacher Aufbau eines Befeuchtermoduls und damit des Befeuchters insgesamt ergibt, für den weniger Bauteile erforderlich sind, sodass sowohl die Herstellung als auch der Zusammenbau vereinfacht ist.
Wenn ein derartig verbesserter Befeuchter in einer Brennstoffzellenvorrichtung eingesetzt wird, ist deren Effizienz und Dauerhaftigkeit verbessert. Diese Vorteile ergeben sich auch für ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechend verbesserten Brennstoffzellenvorrichtung.
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 in einem Querschnitt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines aus dem Stand der Technik bekannten Befeuchters mit Flussfeldlagen konstanter Porosität,
3 eine der 2 entsprechende Darstellung einer ersten Ausführungsform,
4 eine der 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform , und
5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer nochmals weiteren Ausführungsform.

In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Befeuchter 4 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 dem Befeuchter 4.
Ein typischer Befeuchter 4, weist zwei Endplatten auf, zwischen denen eine Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 angeordnet sind, wobei die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplatten 5 verspannt werden.
2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Befeuchter 4, bei dem zwei poröse Flussfeldlagen 5 jeweils zwischen zwei Membranen 7 positioniert sind. Die bekannten Flussfeldlagen 5 weisen eine konstante Porosität auf, sodass durch die dadurch gebildeten Flussfelder die Gase strömen können, und zwar bei dem gezeigten Beispiel im Gegenstrom die Kathodenzuluft 8 und die Kathodenabluft 9. Es befinden sich auch viele Poren randseitig der Flussfeldlagen 5 und die Auflageflächen für die Membranen 7 sind reduziert.
3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befeuchters 4, bei dem die Flussfeldlagen 5 dahingehend modifiziert sind, dass die Porosität auf der der Membran 7 zuweisenden Seite in einer Lagenschicht 10 geringer als in dem membranfernen Bereich der Flussfeldlage 5 ist. Da die Flussfeldlage 5 zwischen zwei benachbarten Membranen 7 positioniert ist, ergibt sich bei der gezeigten Ausführungsform eine obere Lagenschicht 10 mit geringerer Porosität, ein Mittenbereich 11 mit unveränderter Porosität und eine untere Lagenschicht 10 mit wiederum verminderter Porosität. 3 zeigt dabei ein Beispiel, bei dem die Änderung der Porosität innerhalb der Flussfeldlage 5 zwischen der Lagenschicht 10 und dem membranenfernen Bereich gestuft erfolgt, also ein stufenweiser Übergang von normaler Porosität zu verminderter Porosität in einer Grenzfläche vorliegt. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass die Änderung der Porosität kontinuierlich erfolgt, da das entsprechende Kriterium ist, dass die Porosität in dem Bereich zur Membran 7 für die Erhöhung der Auflagefläche vermindert ist.
Dieses Kriterium muss nur für den Fall des betriebsbereiten Befeuchters 4 gegeben sein, bei dem also die Befeuchtermodule 6 zwischen den Endplatten verpresst sind. Damit ergibt sich die Möglichkeit, dass die Flussfeldlage 5 jeweils mehrteilig gebildet ist mit einem die Lagenschicht 10 bildenden ersten Lagenteil 12 und einem den membranfernen Bereich bzw. den Mittenbereich 11 bildenden zweiten Lagenteil 13, wobei das erste Lagenteil gegenüber dem zweiten Lagenteil weicher ist, sodass nach dem Verpressen der Flussfeldlage 5 innerhalb des Befeuchtermoduls 6 die geringere Porosität des ersten Lagenteils 12 im Vergleich zum zweiten Lagenteil 13 hergestellt wird (4).
Die mehrteilige Ausbildung der Flussfeldlage 5 gibt auch die Möglichkeit, das erste Lagenteil 12 starr auszubilden mit einer vorgegebenen Lochstruktur, insbesondere als Lochblech 14 mit die Poren bereitstellenden Kanälen 15.
Im Hinblick auf den Aufbau des Befeuchtermoduls 6 ist darauf hinzuweisen, dass dies frei von Separatorplatten gebildet ist, also die Flussfelder in den Flussfeldlagen 5 selber unmittelbar bereitgestellt werden infolge von deren poröser Grundstruktur.
Diese vorstehend erläuterten verbesserten Befeuchter 4 eignen sich besonders zur Verwendung in einer Brennstoffzellenvorrichtung 1, wobei diese Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit ihrer vorteilhaften Weiterentwicklung die Effizienz und die Dauerhaftigkeit für ein Kraftfahrzeug steigert.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Verdichter
4: Befeuchter
5: Flussfeldlage
6: Befeuchtermodul
7: Membran
8: Kathodenzuluft
9: Kathodenabluft
10: Lagenschicht
11: Mittenbereich
12: erstes Lagenteil
13: zweites Lagenteil
14: Lochblech
15: Kanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202016101716 U1 [0003]
DE 102005028718 A1 [0004]

Claims

Befeuchter (4) mit mindestens einem Befeuchtermodul (6), das eine gasdurchlässige Membran (7) aufweist, die zwischen zwei jeweils ein Flussfeld bildenden porösen Flussfeldlagen (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität mindestens einer der Flussfeldlagen (5) auf einer der Membran (7) zuweisenden Seite in einer Lagenschicht (10) geringer als in einem membranfernen Bereich der Flussfeldlage (5) ist.
Befeuchter (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Befeuchtermodule (6) in einer Reihenanordnung vorgesehen ist, und dass die zwischen zwei benachbarten Membranen (7) angeordnete poröse Flussfeldlage (5) auf den beiden den benachbarten Membranen (7) zuweisenden Seite in jeweils einer Lagenschicht (10) eine gegenüber dem Mittenbereich (11) geringere Porosität aufweist.
Befeuchter (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Porosität innerhalb der Flussfeldlage (5) zwischen der Lagenschicht (10) und dem membranfernen Bereich kontinuierlich oder gestuft erfolgt.
Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussfeldlage (5) mehrteilig gebildet ist mit einem die Lagenschicht (10) bildenden ersten Lagenteil (12) und einem den membranfernen Bereich oder einen Mittenbereich (11) bildenden zweiten Lagenteil (13).
Befeuchter (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenteil (12) gegenüber dem zweiten Lagenteil (13) weicher ist, und dass nach einem Verpressen der Flussfeldlage (5) innerhalb des Befeuchtermoduls (6) die geringere Porosität des ersten Lagenteils (12) im Vergleich zum zweiten Lagenteil (13) gegeben ist.
Befeuchter (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenteil (12) starr ausgebildet ist mit einer vorgegebenen Lochstruktur.
Befeuchter (4) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenteil (12) als Lochblech (14) gebildet ist mit Poren bereitstellenden Kanälen (15).
Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtermodul (6) frei von Separatorplatten gebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einer einen Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (1).