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Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mindestens einem Befeuchtermodul, welches durch zwei Flussfeldplatten gebildet ist. Jede der beiden Flussfeldplatten weist beidseitig ein Flussfeld auf. Das Befeuchtermodul ist außerdem gebildet durch mindestens eine für Wasser oder Wasserdampf permeable, die beiden Flussfeldplatten voneinander trennende Membran. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.
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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.
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Zu beachten ist weiterhin, dass für eine effiziente Befeuchtung eine möglichst gleichmäßige Verteilung sowohl des trockenen Gases als auch des Gases mit der höheren Feuchtigkeit wünschenswert ist, da so auch eine gleichmäßige Befeuchtung gefördert wird.
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In den Druckschriften
US 2017 / 0 211 826 A1 und
WO 2018 / 005 130 A1 sind Befeuchter beschrieben, die in Brennstoffzellenvorrichtungen Verwendung finden. Sie weisen entweder eine sehr komplexe Geometrie auf, die sich nicht auf einfache Weise herstellen lässt, oder sie verhindern eine gewünschte Strömung der Medien unter Inkaufnahme unerwünschter Druckverluste. Ein Membranbefeuchter, der sich bisher gut bewährt hat, ist in der
DE 10 2012 014 723 A1 beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Befeuchter mit verbesserter Effizienz sowie eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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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 Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass jede der Flussfeldplatten derart umgeformt ist, dass eine Mehrzahl von Öffnungen im Material der Flussfeldplatten ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen einen Fluidaustausch von dem Flussfeld auf ihrer einen Plattenseite mit dem Flussfeld auf ihrer anderen Plattenseite ermöglichen. Diese Ausgestaltung der Flussfeldplatten ist von Vorteil, da sie eine Feuchteübertragung sowohl auf der einen Plattenseite als auch auf ihrer anderen Plattenseite begünstigen. Außerdem können die Flussfeldplatten für Frischgas und für Abgas als Gleichteilte gebildet werden, was Fertigungskosten senkt und die Montage vereinfacht. Zum Umformen der Plattenrohlinge kann eine Stanze Einsatz finden.
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Zur Verbesserung der Gasverteilung über die Flussfeldplatte ist es sinnvoll, wenn diese eine Art „Geflecht“ (englisch „mesh“) bildet, das dreidimensional gestaltet ist. Durch das dreidimensionale Geflecht ist die Stoffdurchtrittsrate durch die Befeuchtermembran gegenüber bekannten Befeuchtern erhöht, wodurch der Befeuchter bei gleichbleibender Leistung kompakter und damit bauraumarmer gestaltet werden kann. In diesem Zusammenhang ist es daher möglich, dass jede der Öffnungen in einer über eine Grundplatte der Flussfeldplatten hervorstehenden Wölbung ausgebildet ist, und dass eine Spitze der Wölbung an der zu ihr benachbarten Membran abgestützt ist.
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Zur positiven Beeinflussung der Strömung des Frischgases und des Abgases und dem damit einhergehenden verbesserten Feuchteübertrag hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnung in der Wölbung in einer Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist und einen einem Ellipsensegment entsprechenden Querschnitt aufweist. Vorzugsweise weist die Öffnung einen einem Teilkreissegment entsprechenden Querschnitt auf. Durch diese Gestaltung der Flussfelder bzw. deren Geometrien wird die Strömung stets auf die benachbarte Membran gelenkt.
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Die Druckverteilung der Gase/Fluide über die Flussfeldplatten hinweg ist optimiert, wenn die Wölbungen in einer senkrecht bezüglich einer Strömungsrichtung des Fluids orientierten Richtung zwischen 220 Mikrometer und 250 Mikrometer voneinander beabstandet sind.
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Die Flussfeldplatten sind dabei vorzugsweise aus einem elektrisch nichtleitfähigen Material gebildet, wodurch gegenüber Metallen leichtere Materialien Einsatz finden können, wodurch sich neben Bauraum- auch Gewichtseinsparungen für den Befeuchter ergeben. In diesem Zusammenhang ist daher die Möglichkeit eröffnet, dass das Material der Flussfeldplatten aus einer Gruppe ausgewählt ist, umfassend Polyetheretherketon, Polyphenylensulfon und Polyamid, insbesondere PA66.
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Für eine Verbesserung der Stabilität des Befeuchters trägt bei, wenn ein erstes Befeuchtermodul von einem zweiten Befeuchtermodul durch eine Separatorplatte getrennt ist. Diese ist dann vorzugweise nicht durchlässig für Wasser. In diesem Fall besteht zudem die Möglichkeit, dass jede der Flussfeldplatten mit ihrer einen Plattenseite an der Membran und mit ihrer anderen Plattenseite an der Separatorplatte anliegen.
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Der erfindungsgemäße Befeuchter entfaltet seine vollen Vorteile bei seinem Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung. Die für den Befeuchter genannten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten daher gleichermaßen für eine mit einem solchen Befeuchter ausgestattete Brennstoffzellenvorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich aufgrund des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Befeuchters durch einen leichteren Aufbau und eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Bauraums aus. Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Befeuchter erläuterten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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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 Brennstoffzellenvorrichtung mit einem darin genutzten Befeuchter,
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Befeuchters,
- 3 eine perspektivische Detailansicht auf eine Flussfeldplatte,
- 4 eine Schnittansicht in Strömungsrichtung in einem Detailausschnitt der Flussfeldplatte nach 3, und
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Befeuchters, der mit Separatorplatten ausgestattet ist.
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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.
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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.
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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 4 dienen.
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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.
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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/E lektronenaufnahme).
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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 3 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.
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Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 3 mit einer Anodenzufuhrleitung fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher 6 enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt werden kann. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb eines Anodenkreislaufes 7 zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 8 zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung 8 kann der im Brennstoffzellenstapel 3 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 8 wieder in die Anodenzufuhrleitung mündet.
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Um die Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung 8 ein Abscheider 9 eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 1 verbunden, so dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit beispielsweise in die stromab des Brennstoffzellenstapels 3 vorhandene Kathodenabgasleitung 10 eingebracht wird, um die Flüssigkeit beispielsweise aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 auszuleiten. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit vom Abscheider 9 auch in eine Kathodenzufuhrleitung 11 stromauf des Befeuchters 2 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in den Befeuchter 2 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Befeuchter 2 insgesamt kleiner ausgelegt werden kann, da das frische, durch das Verdichten mittels des Verdichters 5 trockene Frischgas dann nicht mehr so stark zu befeuchten ist, um im Brennstoffzellenstapel 3 die erforderliche Feuchte der Membranen zu gewährleisten. Auf der Frischgasseite führt dies zu einer Befeuchtung, so dass weniger Wasserübertragung durch die Membran 14 erforderlich ist und daher die Membranfläche und infolge dessen die Baugröße des Befeuchters 2 reduziert werden kann.
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Der Befeuchter 2 ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als Planarbefeuchter mit mehreren Befeuchtermodulen 13 aufgebaut, von denen jedes mit einer für Wasserdampf permeablen Membran 14 und zwei die Membran 14 zwischen sich einschließenden Flussfeldplatten 23, 24 gebildet ist. Nicht näher gezeigt ist die mechanische Verstärkung in Form eines Rahmens für die Membranen 14, die den Befeuchtermodulen 13 und damit dem Befeuchter 2 insgesamt eine erhöhte Stabilität und Abdichtung gegenüber der Umgebung verleihen. Ebenfalls nicht näher gezeigt sind die Mittel zur Stapelung und Montage der Flussfeldplatten 23, 24, die diese sicher in einem Verbund mit der Membran 14 zum Befeuchtermodul 13 zusammenfassen und die die Anbindung an weitere Befeuchtermodule 13 ermöglichen. Jede der Flussfeldplatten 23, 24 weist jeweils beidseitig ein Flussfeld 16, 17 auf. Die Flussfeldplatten 23, 24 sind vorliegend aus einem elektrisch nichtleitfähigen Material gebildet, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Polyetheretherketon, Polyphenylensulfon und Polyamid, insbesondere PA66.
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Anhand der Detailansicht in 3 einer der Flussfeldplatten 23, 24 ist zu erkennen, dass diese derart umgeformt sind, dass eine Mehrzahl von Öffnungen 12 im Material der Flussfeldplatten 23, 24 ausgebildet ist, wobei die Mehrzahl von Öffnungen 12 einen Fluidaustausch von dem Flussfeld 16 auf ihrer einen Plattenseite mit dem Flussfeld 17 auf ihrer anderen Plattenseite ermöglichen und begünstigen. Es ist zu erkennen, dass jede der Öffnungen 12 in einer über eine Grundplatte 15 der Flussfeldplatten 23, 24 hervorstehenden Wölbung 18 ausgebildet ist. Die Spitzen 19 der Wölbungen 18 sind dann im Befeuchtermodul 13 an der zu ihr benachbarten Membran 14 abgestützt. Die Wölbungen 18 selbst weisen eine in Strömungsrichtung des Fluids sich gegenüber der Grundplatte 15, insbesondere linear ansteigende Erstreckung auf. Die Wölbungen 18 sind typischerweise in einer senkrecht bezüglich einer Strömungsrichtung des Fluids orientierten Richtung zwischen 220 Mikrometer und 250 Mikrometer voneinander beabstandet.
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Die Detailansicht nach 4 zeigt die Formgebung der Öffnungen 12, die durch die Wölbung 18 seitlich und nach oben und durch die Grundplatte 15 nach unten begrenzt sind. Hierbei ist zu erkennen, dass die Öffnung 12 in der Wölbung 18 in der Strömungsrichtung des Fluids ausgerichtet ist und einen einem Ellipsensegment entsprechenden Querschnitt aufweist. Vorliegend ist sogar der spezielle Fall eines Ellipsensegments gegeben, welches als ein Kreissegment gebildet ist.
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5 verweist auf die Möglichkeit, dass die Befeuchtermodule 13 von einander durch eine Separatorplatte 20 getrennt werden, wobei dann jede der Flussfeldplatten 23, 24 mit ihrer einen Plattenseite an der Membran 14 und mit ihrer anderen Plattenseite an der Separatorplatte 20 anliegt und abgestützt ist. Die Separatorplatte 20 ist dabei undurchlässig für flüssiges Wasser und Wasserdampf.
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In den Ausführungsbeispielen ist ein Gegenstrom für die Befeuchtermodule 13 gezeigt, wobei das Frischgas 28 vorliegend von links nach rechts strömt und wobei das Abgas 29 von rechts nach links strömt. Es ist aber auch eine Gleich-, Kreuz- oder Kreuzgegenstromführung realisierbar.
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In einem eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem derartigen Befeuchter 2 aufweisenden Kraftfahrzeug besteht weniger Bauraumbedarf für den Befeuchter 2, der kompakter und entsprechend mit weniger Materialaufwand gefertigt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Befeuchter
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Brennstoffzelle
- 5
- Verdichter
- 6
- Brennstoffspeicher
- 7
- Anodenkreislauf
- 8
- Anodenrezirkulationsleitung
- 9
- Abscheider
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Kathodenzufuhrleitung
- 12
- Öffnung
- 13
- Befeuchtermodul
- 14
- Membran
- 15
- Grundplatte
- 16
- erstes Flussfeld
- 17
- zweites Flussfeld
- 18
- Wölbung
- 19
- Spitze (Wölbung)
- 20
- Separatorplatte
- 23
- Flussfeldplatte (Frischgas)
- 24
- Flussfeldplatte (Abgas)
- 28
- Frischgas
- 29
- Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0211826 A1 [0004]
- WO 2018/005130 A1 [0004]
- DE 102012014723 A1 [0004]
