DE102019126298A1 - Humidifier, fuel cell device with humidifier and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter (2) mit mindestens einem Befeuchtermodul (13), das eine Membran (6) aufweist, die zwischen zwei Flussfeldplatten (14) angeordnet ist, die aus einem elastischen Kunststoff gefertigt sind, dessen Elastizität die Übernahme der Dichtfunktion ermöglicht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem derartigen Befeuchter (2) sowie ein eine derartige Brennstoffzellenvorrichtung (1) aufweisendes Kraftfahrzeug.The invention relates to a humidifier (2) with at least one humidifier module (13) which has a membrane (6) which is arranged between two flow field plates (14) made of an elastic plastic, the elasticity of which enables the sealing function to be assumed. The invention further relates to a fuel cell device (1) with such a humidifier (2) and to a motor vehicle having such a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul, das eine Membran aufweist, die zwischen zwei Flussfeldplatten angeordnet ist, die aus einem elastischen Kunststoff gefertigt sind, dessen Elastizität die Übernahme der Dichtfunktion ermöglicht. Die Erfindung betriff weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Befeuchter sowie ein eine derartige Brennstoffzellenvorrichtung aufweisendes Kraftfahrzeug.The invention relates to a humidifier with at least one humidifier module which has a membrane which is arranged between two flow field plates which are made of an elastic plastic, the elasticity of which enables the sealing function to be taken over. The invention also relates to a fuel cell device with such a humidifier and a motor vehicle having such a fuel cell device.

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 Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der 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.Humidifiers are generally used in order to be able to transfer the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with different moisture contents. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is suitable for use in the fuel cell stacks the membrane electrode assembly is insufficient. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past a membrane permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack. For the conditioning of the air to be supplied to the cathode spaces of the fuel cell stack, its temperature control is also required, for which purpose charge air coolers positioned after the compressor are usually used. The humidifier and the charge air cooler are large components that contribute to a great increase in the space required for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because there are high thermal losses.

Ein von der Anmelderin zuvor entwickelter Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass eine Einheit mit der Abfolge Flussfeldrahmen-Dichtung-MembranDichtung-Flussfeldrahmen bereitgestellt ist, wobei infolge der in dem Flussfeldrahmen angeordneten Stege ein Flussfeld generiert wird, das ein gleichmäßigeres Bestreichen der Membran mit dem dieser Seite zugeordneten Medium ermöglicht, so dass die bereitgestellte Membran auf beiden Seiten besser ausgenutzt werden kann für eine verbesserte Feuchteübertragung. Die Stege fungieren dabei weiterhin als Abstandshalter, die die Membran abstützen und somit für verbesserte mechanische Stabilität sorgen. Des Weiteren ist die Gestaltung so gewählt, dass der Flussfeldrahmen und die Stege die gleiche Höhenerstreckung aufweisen, so dass eine Verteilung des in den Flussfeldrahmen eingeleiteten Mediums erfolgt zwischen die einzelnen Stege, und diese Verteilung beibehalten wird, also eine Durchmischung des Mediums nach Art einer turbulenten Strömung vermieden ist. Allerdings ist mit dieser Konstruktion ein hoher Aufwand bei der Montage erforderlich und es ist eine spezielle Gestaltung der Stege, auch hinsichtlich ihrer Anordnung beziehungsweise ihrer Abstände, nötig, damit die Membran im Betrieb nicht flattert.A humidifier previously developed by the applicant is characterized in that a unit with the sequence flow field frame-seal-membrane-seal-flow field frame is provided, with a flow field being generated as a result of the webs arranged in the flow field frame, which allows the membrane to be smeared more evenly Side assigned medium allows, so that the membrane provided can be better utilized on both sides for improved moisture transfer. The webs continue to function as spacers that support the membrane and thus ensure improved mechanical stability. Furthermore, the design is chosen so that the flow field frame and the webs have the same height extension, so that the medium introduced into the flow field frame is distributed between the individual webs, and this distribution is maintained, i.e. a mixing of the medium in the manner of a turbulent Flow is avoided. However, this construction requires a lot of effort during assembly and a special design of the webs, also with regard to their arrangement or their spacing, is necessary so that the membrane does not flutter during operation.

In der US 8,091,868 B2 ist ein weiterer Befeuchter beschrieben, der eine Mehrzahl von Membranen aufweist, die durch Dichtungsleisten auf Abstand gehalten sind. Der Befeuchter aus der US 10,026,977 B2 weist gleichfalls eine Mehrzahl von Membranen auf, denen beidseits Schichten mit Flussfeldern zugeordnet sind, wobei der Feuchteübertrag nur in aktiven Bereichen erfolgt und die Kantenabschnitte zur Stabilisierung und Abdichtung dienen.In the US 8,091,868 B2 Another humidifier is described which has a plurality of membranes which are held at a distance by sealing strips. The humidifier from the US 10,026,977 B2 also has a plurality of membranes to which layers with flow fields are assigned on both sides, the moisture transfer only taking place in active areas and the edge sections serving for stabilization and sealing.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Befeuchter anzugeben, dessen Herstellung kostengünstiger ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a humidifier which is less expensive to manufacture. A further object is to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a humidifier with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 9 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass die Flussfeldplatten aus einem elastischen Kunststoff oder Polymer gefertigt sind, dessen Elastizität die Übernahme der Dichtfunktion ermöglicht, so dass die Dichtungen direkt in die Flussfeldplatten integriert sind und keine separaten Dichtungen benötigt werden, diese also eingespart werden können und dadurch auch die Montage vereinfacht sowie eine einfache Demontage ermöglicht ist. Der elastische Kunststoff muss bei dabei auch die erforderliche Stabilität gewährleisten. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, dass bei mindestens einer der Flussfeldplatten in dem elastischen Kunststoff ein Kern aus einem festen Material angeordnet ist. Dadurch wird die gewünschte Stabilität bereit gestellt, ohne Kompromisse hinsichtlich der Elastizität eingehen zu müssen, die hinsichtlich der Dichtfunktion optimiert sein kann.The humidifier according to the invention is characterized in that the flow field plates are made of an elastic plastic or polymer, the elasticity of which enables the sealing function to be taken over, so that the seals are integrated directly into the flow field plates and no separate seals are required, so these can be saved and this also simplifies assembly and enables simple dismantling. The elastic plastic must also ensure the required stability. Alternatively, however, there is also the possibility that a core made of a solid material is arranged in the elastic plastic in at least one of the flow field plates. This provides the desired stability without having to compromise on elasticity, which can be optimized in terms of the sealing function.

Bevorzugt ist dabei, dass durch einen generativen Fertigungsschritt eine Sandwichstruktur mit auf den Kern aus dem festen Material beidseits aufgetragenem elastischen Kunststoff gebildet ist, so dass die Kombination eines Verbundwerkstoffes bereit gestellt ist, mit der auf einfache und kostengünstige Weise die gewünschten Eigenschaft geboten ist.It is preferred that a sandwich structure is formed by a generative manufacturing step with elastic plastic applied to the core from the solid material on both sides, so that the combination of a composite material is provided with which the desired property is provided in a simple and inexpensive manner.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn eine Mehrzahl der Befeuchtermodule zwischen zwei Endplatten verspannt sind, da über die Anzahl der Befeuchtermodule in einfacher Weise das Leistungsvermögen des Befeuchters skaliert werden kann, wobei der elastische Kunststoff dabei auch die Funktion der Federn übernehmen kann, die sonst erforderlich sind, um die Mehrzahl der Befeuchtermodule über die Lebensdauer des Befeuchters sicher zu verspannen und abzudichten. Diese Federn können also zusätzlich eingespart werden, womit also das Befeuchtermodul und die Endplatten frei von separaten Federn gebildet sind.It is also advantageous if a majority of the humidifier modules are clamped between two end plates, since the number of humidifier modules can be used to easily scale the performance of the humidifier, whereby the elastic plastic can also take on the function of the springs that are otherwise required to securely clamp and seal the majority of the humidifier modules over the service life of the humidifier. These springs can also be saved, so that the humidifier module and the end plates are free of separate springs.

Der elastische Kunststoff kann in weiten Grenzen frei gewählt werden, solange die Dichtfunktion gegeben ist. Geeignet ist dafür insbesondere eine Wahl, bei der der elastische Kunststoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silikon, Thermoplastisches Urethan (TPU, TPU95A, EPDM) Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk umfasst.The elastic plastic can be freely selected within wide limits, as long as the sealing function is given. Particularly suitable for this is a choice in which the elastic plastic is selected from a group comprising silicone, thermoplastic urethane (TPU, TPU95A, EPDM), ethylene-propylene-diene rubber.

Vergleichbare Überlegungen gelten hinsichtlich des Kerns und seiner erforderlichen Stabilität, so dass der Kern aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Polycarbonat PC, Polyamid PA66, Acrylnitil-Butadien-Styrol ABS umfasst.Similar considerations apply with regard to the core and its required stability, so that the core is selected from a group comprising polycarbonate PC, polyamide PA66, acrylonitrile butadiene styrene ABS.

Vorgesehen ist weiterhin, dass die Membran durch die vollständige Kontur der beiden Flussfelder fixiert ist, also das Flattern der Membran wirksam unterbunden ist und so der Feuchteübertrag räumlich und zeitlich dadurch nicht variiert.It is also provided that the membrane is fixed by the complete contour of the two flow fields, that is, the fluttering of the membrane is effectively prevented and thus the moisture transfer does not vary spatially and temporally as a result.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Befeuchter der vorstehend beschriebenen Art ist kostengünstiger herzustellen, nutzt Bauraumvorteile und bietet eine verbesserte Leistung, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung einem Kraftfahrzeug zugeordnet ist.A fuel cell device with a humidifier of the type described above is more cost-effective to manufacture, uses advantages in terms of installation space and offers improved performance, which is particularly advantageous when the fuel cell device is assigned to a motor vehicle.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.

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 schematische Darstellung einer einen Befeuchter aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine Draufsicht auf eine aus einem elastischen Material gebildete Flussfeldplatte,
  • 3 eine schematische Explosionsdarstellung eines Befeuchtermoduls,
  • 4 eine der 2 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit einem Kern, und
  • 5 eine der 3 entsprechende Darstellung der Ausführungsform aus 4.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device having a humidifier,
  • 2 a plan view of a flow field plate formed from an elastic material,
  • 3 a schematic exploded view of a humidifier module,
  • 4th one of the 2 corresponding representation of an embodiment with a core, and
  • 5 one of the 3 corresponding representation of the embodiment 4th .

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 2 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 4 umfasst.In the 1 Fig. 3 is a schematic diagram of a fuel cell device 1 shown, this being a humidifier 2 for regulating the humidity of a plurality of in a fuel cell stack 3 combined fuel cells 4th includes.

Jede der Brennstoffzellen 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 4th comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen 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.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel 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.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 4 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 5 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 5 nachgelagerten nicht näher gezeigten Ladeluftkühler sowie in dem Befeuchter 2, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 4 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Because in the fuel cell stack 3 several fuel cells 4th are summarized, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that through a compressor 5 a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, that is to say its setting with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack, takes place in one of the compressors 5 downstream intercooler, not shown, and in the humidifier 2 , the moisture saturation of the membranes of the fuel cells 4th to increase their efficiency, since this favors the transport of protons.

Um den Massenstrom des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel 3 regulieren zu können ist ein Bypass 12 vorhanden, welcher ein Stellglied, insbesondere ein Druckregelventil aufweist. Dieser Bypass 12 verbindet die Kathodenzufuhrleitung 11 mit der Kathodenabgasleitung 10.To the mass flow of the cathode gas through the fuel cell stack 3 Being able to regulate is a bypass 12th present, which has an actuator, in particular a pressure control valve. This bypass 12th connects the cathode supply line 11 with the cathode exhaust line 10 .

Der Befeuchter 2 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als Planarbefeuchter mit mehreren Befeuchtermodulen 13 aufgebaut, von denen jedes mit einer wasserdampfpermeablen Membran 6 und einer auf einer Seite der Membran angeordneten Flussfeldplatte 14 und einer auf der gegenüberliegenden Seite der Membran angeordneten zweiten Flussfeldplatte 14 gebildet ist. In den Flussfeldplatten 14 sind Strömungskanäle 16 durch Flussfeldstege 17 getrennt. Die zwei Flussfeldplatten 14 sind aus einem elastischen Kunststoff gefertigt, dessen Elastizität die Übernahme der Dichtfunktion ermöglicht (3). Die Strömungskanäle 16 sind durch einen Rahmen 7 nach außen abgedichtet. Verbindungsstege 8 können zur Stabilisierung und Aussteifung der Flussfeldstege 17 genutzt werden.The humidifier 2 is in the in 1 Embodiment shown as a planar humidifier with several humidifier modules 13th constructed, each with a water vapor permeable membrane 6th and a flow field plate disposed on one side of the membrane 14th and a second flow field plate disposed on the opposite side of the membrane 14th is formed. In the river field plates 14th are flow channels 16 by river footbridges 17th Cut. The two river field plates 14th are made of an elastic plastic, the elasticity of which enables the sealing function to be assumed ( 3 ). The flow channels 16 are through a frame 7th sealed to the outside. Connecting webs 8th can be used to stabilize and stiffen the river field bridges 17th be used.

5 zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel, bei dem bei beiden Flussfeldplatten 14 in dem elastischen Kunststoff ein Kern 15 aus einem festen Material angeordnet ist, wobei durch einen generativen Fertigungsschritt eine Sandwichstruktur 9 mit auf den Kern 15 aus dem festen Material beidseits aufgetragenen elastischen Kunststoff gebildet ist. Es wird also die Flussfeldplatte 14 aus mehreren Schichten gefertigt, indem auf den Kern auf jede Seite eine dichtende Schicht aufgedruckt oder aufgespritzt wird. 5 shows an embodiment in which both flow field plates 14th a core in the elastic plastic 15th is arranged from a solid material, with a sandwich structure through a generative manufacturing step 9 with to the core 15th is formed from the solid material applied on both sides elastic plastic. So it becomes the river field plate 14th made of several layers by printing or spraying a sealing layer on each side of the core.

Wenn eine Mehrzahl der Befeuchtermodule 13 zwischen zwei nicht gezeigten Endplatten verspannt ist, kann ausgenutzt werden, dass die Elastizität des elastischen Kunststoffes auch eine Federwirkung bereitstellt, so dass das Befeuchtermodul 13 und die Endplatten frei von zusätzlichen, separaten Federn gebildet sein können.When a majority of the humidifier modules 13th is clamped between two end plates, not shown, it can be used that the elasticity of the elastic plastic also provides a spring effect, so that the humidifier module 13th and the end plates can be formed free of additional, separate springs.

Der elastische Kunststoff ist aus einer Gruppe ausgewählt, die Silikon, TPU, TPU95A, EPDM umfasst. Der Kern ist aus einer Gruppe ausgewählt, die PC, PA66, ABS umfasst.The elastic plastic is selected from a group comprising silicone, TPU, TPU95A, EPDM. The core is selected from a group that includes PC, PA66, ABS.

Ein derartige aufgebauter Befeuchter 2 besteht aus weniger Bauteilen, ist dadurch kostengünstiger in der Herstellung und Montage, bietet die Möglichkeit einer vereinfachten Demontage und verfügt über selbstdichtende Flussfeldplatten 14, die die Membran 6 durch ihre vollständige Kontur fixieren.Such a built-up humidifier 2 consists of fewer components, is therefore more cost-effective to manufacture and assemble, offers the possibility of simplified dismantling and has self-sealing flow field plates 14th who have favourited the membrane 6th fix by their complete contour.

Ein derartiger Befeuchter 2 in einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach 1 entfaltet seine Vorteile insbesondere, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird.Such a humidifier 2 in a fuel cell device 1 to 1 develops its advantages particularly when the fuel cell device 1 is used in a motor vehicle.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BefeuchterHumidifier
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th
BrennstoffzelleFuel cell
55
Verdichtercompressor
66th
Membranmembrane
77th
Rahmenframe
88th
VerbindungsstegeConnecting webs
99
SandwichstrukturSandwich structure
1010
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
1111
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
1212th
Bypassbypass
1313th
BefeuchtermodulHumidifier module
1414th
FlussfeldplatteRiver field plate
1515th
Kerncore
1616
StrömungskanäleFlow channels
1717th
FlussfeldstegeRiver field footbridges

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 8091868 B2 [0004]US 8091868 B2 [0004]
  • US 10026977 B2 [0004]US 10026977 B2 [0004]

Claims (10)

Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul (13), das eine Membran (6) aufweist, die zwischen zwei Flussfeldplatten (14) angeordnet ist, die aus einem elastischen Kunststoff gefertigt sind, dessen Elastizität die Übernahme der Dichtfunktion ermöglicht.Humidifier with at least one humidifier module (13) which has a membrane (6) which is arranged between two flow field plates (14) made of an elastic plastic, the elasticity of which enables the sealing function to be assumed. Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer der Flussfeldplatten (14) in dem elastischen Kunststoff ein Kern (15) aus einem festen Material angeordnet ist.Humidifier Claim 1 , characterized in that a core (15) made of a solid material is arranged in at least one of the flow field plates (14) in the elastic plastic. Befeuchter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen generativen Fertigungsschritt eine Sandwichstruktur (9) mit auf den Kern (15) aus dem festen Material beidseits aufgetragenem elastischen Kunststoff gebildet ist.Humidifier Claim 2 , characterized in that a sandwich structure (9) with elastic plastic applied on both sides of the solid material to the core (15) is formed by a generative manufacturing step. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Befeuchtermodule (13) zwischen zwei Endplatten verspannt sind.Humidifier according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that a plurality of the humidifier modules (13) are clamped between two end plates. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Kunststoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silikon, TPU, TPU95A, EPDM umfasst.Humidifier according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the elastic plastic is selected from a group comprising silicone, TPU, TPU95A, EPDM. Befeuchter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (15) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die PC, PA66, ABS umfasst.Humidifier according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the core (15) is selected from a group comprising PC, PA66, ABS. Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Membran (6) durch die vollständige Kontur der beiden Flussfeldplatten (14) fixiert ist.Humidifier according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the membrane (6) is fixed by the complete contour of the two flow field plates (14). Befeuchter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtermodul (13) und die Endplatten frei von separaten Federn gebildet sind.Humidifier according to one of the Claims 4 to 7th , characterized in that the humidifier module (13) and the end plates are free of separate springs. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Befeuchter (2) nach den Ansprüchen 1 bis 8.Fuel cell device with a humidifier (2) according to the Claims 1 to 8th . Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to Claim 9 .
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110195337A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Gm Global Technology Operations, Inc. Microtruss water vapor transport device
DE102013208877A1 (en) * 2012-05-16 2013-11-21 Reinz-Dichtungs-Gmbh Operational humidifier for humidifying e.g. molecular hydrogen for fuel cells in fuel cell system for electricity generation, has duct provided at edge of seam arrangement for transmission of gas from port apertures to line structures
DE202013003566U1 (en) * 2013-04-09 2014-07-11 Reinz-Dichtungs-Gmbh Water Transfer Association

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110195337A1 (en) * 2010-02-08 2011-08-11 Gm Global Technology Operations, Inc. Microtruss water vapor transport device
DE102013208877A1 (en) * 2012-05-16 2013-11-21 Reinz-Dichtungs-Gmbh Operational humidifier for humidifying e.g. molecular hydrogen for fuel cells in fuel cell system for electricity generation, has duct provided at edge of seam arrangement for transmission of gas from port apertures to line structures
DE202013003566U1 (en) * 2013-04-09 2014-07-11 Reinz-Dichtungs-Gmbh Water Transfer Association

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