DE102019200449A1 - Humidifier with coolant tubes and fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter (4) mit mehreren zwischen zwei Endplatten angeordneten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Membran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl an ein Flussfeld definierenden Stegen (11) angeordnet ist. Mindestens einer der Stege (11) ist als ein Kühlmittelrohr (12) gebildet zur Durchleitung eines Kühlmediums. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a humidifier (4) with a plurality of humidifier modules (6) arranged between two end plates and having a membrane (9) permeable to water vapor, in which a flow field frame (10) with a plurality defining a flow field on each side of the membrane (9) Webs (11) is arranged. At least one of the webs (11) is designed as a coolant tube (12) for the passage of a cooling medium. The invention further relates to a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter mit mehreren zwischen zwei Endplatten angeordneten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran aufweisenden Befeuchtermodulen, bei denen beidseits der Membran jeweils ein Flussfeldrahmen mit einer Mehrzahl an ein Flussfeld definierenden Stegen angeordnet ist.The invention relates to a humidifier with a plurality of humidifier modules arranged between two end plates and having a membrane permeable to water vapor, in which a flow field frame with a plurality of webs defining a flow field is arranged on each side of the membrane.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Membranelektrodenanordnung aufweisenden Brennstoffzelle, deren Elektroden Elektrodenräume zugeordnet sind, die über Reaktantenzuleitungen mit Reaktanten versorgbar sind und die über Reaktantenabgasleitungen verfügt.The invention further relates to a fuel cell device with a fuel cell having a membrane electrode arrangement, the electrodes of which are assigned to electrode spaces, which can be supplied with reactants via reactant supply lines and which has reactant exhaust gas lines.

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 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.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 a different moisture content. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack with the oxygen contained therein, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is used in the fuel cell stack for the membrane electrode assembly is insufficient. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past the membrane which is permeable to water vapor and the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack. Furthermore, liquid water accumulates in the fuel cell stack both on the anode side and on the cathode side, which has to be removed from the fuel cell stack. The humidifier, the water separator and the charge air cooler positioned after the compressor are large components which contribute to a large increase in the installation space required for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because of high thermal losses.

Es sind Lösungen bekannt, 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.Solutions are known for using a humidifier with a plurality of humidifier modules which have webs which define a flow field, by means of which the membrane with the medium assigned to this side can be coated more uniformly. In such humidifiers, the humidifier modules are tensioned by means of tension rods.

Dabei wird kathodenseitig das mittels eines Verdichters angesaugte und verdichtete Kathodengas mittels eines Ladeluftkühlers gekühlt und durch den Befeuchter befeuchtet bevor es dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt wird. Somit wird für die kathodenseitige Konditionierung oder auch Befeuchtung des Kathodengases ein vergleichsweise großer Bauraum benötigt.The cathode gas drawn in and compressed by means of a compressor is cooled on the cathode side by means of a charge air cooler and humidified by the humidifier before it is fed to the cathode compartment of the fuel cell. A comparatively large installation space is thus required for the cathode-side conditioning or also moistening of the cathode gas.

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 the DE 10 2016 113 740 A1 A conditioning module is disclosed which provides a combination of a heat exchanger and a humidifier with a small installation space requirement and at the same time a high possible throughput, by arranging a first cross-sectional area within a second cross-sectional area in a cylindrical structure in a cross section of the conditioning module.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter und eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile zu reduzieren.The invention is therefore based on the object of providing a humidifier and a fuel cell device of the type mentioned at the outset, which reduce the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruches 1, und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 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 and by a fuel cell device with the features of claim 10. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens einer der Stege als ein Kühlmittelrohr gebildet ist zur Durchleitung eines Kühlmediums.The humidifier according to the invention is characterized in that at least one of the webs is designed as a coolant tube for the passage of a cooling medium.

In die Stege ist folglich ein Hohlraum in Form eines Kühlmittelrohres eingebracht oder die Stege selber sind als Kühlmittelrohre gebildet. Dies ermöglicht, dass kathodenseitig der Ladeluftkühler in den Befeuchter integriert werden kann, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung kathodenseitig kompakter gestaltet werden kann. Gleichzeitig geht die Integration des Kühlmittelrohrs in die Stege bzw. die Ausbildung der Stege als Kühlmittelrohre nicht mit einer Vergrößerung des Befeuchters einher. Die als Kühlmittelrohre gebildeten Stege haben folglich eine Doppelfunktion: Sie dienen der Ausbildung des Flussfeldes in den zwischen den Stegen gebildeten Gaskanälen und der Durchleitung des Kühlmittels zur Konditionierung des in dem Flussfeld strömenden Reaktanten.A cavity in the form of a coolant tube is consequently introduced into the webs or the webs themselves are formed as coolant tubes. This enables the charge air cooler to be integrated into the humidifier on the cathode side, so that the fuel cell device can be made more compact on the cathode side. At the same time, the integration of the coolant tube into the webs or the design of the webs as coolant tubes does not go hand in hand with an enlargement of the humidifier. The webs formed as coolant tubes consequently have a double function: they serve to form the flow field in the gas channels formed between the webs and to pass the coolant through to condition the reactant flowing in the flow field.

Der als Kühlmittelrohr gebildete Steg kann vorzugsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens oder durch ein Spritzgussverfahren oder durch einen Sinterverfahren oder durch Verbinden von zwei Halbplatten herstellbar sein.The web formed as a coolant tube can preferably be produced by means of a 3D printing process or by an injection molding process or by a sintering process or by connecting two half-plates.

Weiterhin kann das Kühlmittelrohr einen rechteckigen oder einen runden oder einen ovalen oder einen quadratischen Strömungsquerschnitt aufweisen.Furthermore, the coolant tube can have a rectangular or a round or an oval or a square flow cross section.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl von als Kühlmittelrohre gebildete Stege vorhanden ist, welcher ein Anschluss zur gleichzeitigen Zuleitung und/oder Ableitung des Kühlmediums zugeordnet ist. Dies ermöglicht eine kompakte Ausgestaltung des Flussfeldrahmens und damit auch des Befeuchters. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der Anschluss am Flussfeldrahmen ausgebildet ist und wenn mehrere Anschlüsse zur gleichzeitigen Zuleitung und/oder Ableitung des Kühlmediums vorhanden sind. Dies ermöglicht die Anschlüsse auf dem Flussfeldrahmen kompakter auszubilden. In particular, it is advantageous if there are a plurality of webs formed as coolant tubes, to which a connection for the simultaneous supply and / or discharge of the cooling medium is assigned. This enables a compact design of the flow field frame and thus also of the humidifier. In this context, it is preferred if the connection is formed on the flow field frame and if there are several connections for the simultaneous supply and / or discharge of the cooling medium. This enables the connections on the flow field frame to be made more compact.

Um eine gleichmäßigere Temperierung bzw. Konditionierung der durch das Flussfeld strömenden Reaktanten zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn wenigstens zwei der Kühlmittelrohre über mindestens einen Kanal miteinander strömungsverbunden sind. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn mehrere der Kühlmittelrohre oder alle Kühlmittelrohre über mindestens einen Kanal miteinander strömungsverbunden sind.In order to ensure a more uniform temperature control or conditioning of the reactants flowing through the flow field, it is preferred if at least two of the coolant tubes are connected to one another via at least one channel. It is particularly preferred if several of the coolant pipes or all coolant pipes are connected to one another via at least one channel.

Um die Stabilität der Kühlmittelrohre im Flussfeldrahmen und des Befeuchters zu gewährleisten weist der Flussfeldrahmen vorzugsweise mindestens einen zumindest zwei der Kühlmittelrohre miteinander verbindenden Verbindungsteg auf. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass der Kanal, mit dem wenigstens zwei der Kühlmittelrohre miteinander strömungsverbunden sind, in dem Verbindungssteg ausgebildet ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Verbindungssteg im Wesentlichen senkrecht zu den Kühlmittelrohren verläuft.In order to ensure the stability of the coolant tubes in the flow field frame and of the humidifier, the flow field frame preferably has at least one connecting web connecting at least two of the coolant tubes to one another. In this context, it is provided in particular that the channel, with which at least two of the coolant pipes are connected to one another in flow, is formed in the connecting web. In particular, it is advantageous if the connecting web runs essentially perpendicular to the coolant tubes.

In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der Verbindungssteg zwischen zwei benachbarten Membranen berührungslos mit diesen angeordnet ist. Dies bildet eine platzsparende Anordnung des Verbindungsstegs. Dabei kann der Verbindungssteg in einer zu einer ersten der Membranen zugewandten ersten Hälfte oder in einer zu einer zweiten der Membranen zugewandten zweiten Hälfte angeordnet sein.In this context, it is preferred if the connecting web between two adjacent membranes is arranged without contact with them. This forms a space-saving arrangement of the connecting web. The connecting web can be arranged in a first half facing a first of the membranes or in a second half facing a second of the membranes.

In einer bevorzugten Ausführungsform, um die Abdeckung der Membranen des Befeuchters so gering wie möglich zu halten, ist es vorgesehen, dass der Verbindungssteg auf Höhe einer die beiden Hälften voneinander trennenden Lage angeordnet ist, also mittig zwischen den beiden benachbarten Membranen.In a preferred embodiment, in order to keep the cover of the membranes of the humidifier as low as possible, it is provided that the connecting web is arranged at the level of a position separating the two halves from one another, that is to say centrally between the two adjacent membranes.

Um die Geschwindigkeit des in den Kühlmittelrohren durchgeführten Kühlmittels unterschiedlich gestalten zu können, ist es möglich, dass mindestens ein Kühlmittelrohr mindestens einen Schenkel aufweist, der mit einer der benachbarten Membranen verbunden ist. Dies ermöglicht den Strömungsquerschnitt des Kühlmittelrohrs zu reduzieren und damit die Geschwindigkeit des durch das Kühlmittelrohr strömenden Kühlmittels zu steigern. So ist es möglich, in verschiedenen Abschnitten oder Regionen des Flussfeldrahmens Kühlmittelrohre mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten anzuordnen, in denen das Kühlmittel mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten strömt. Bevorzugt verläuft der Schenkel senkrecht zu einer Längserstreckung der Membran.In order to be able to design the speed of the coolant carried out in the coolant tubes differently, it is possible for at least one coolant tube to have at least one leg which is connected to one of the adjacent membranes. This enables the flow cross section of the coolant tube to be reduced and thus the speed of the coolant flowing through the coolant tube to be increased. It is thus possible to arrange coolant pipes with different flow cross sections in different sections or regions of the flow field frame, in which coolant flows at different flow rates. The leg preferably runs perpendicular to a longitudinal extension of the membrane.

Um im Flussfeldrahmen eine Verbindung zwischen einem Gasheader und einem Gasströmungskanal zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass die Höhe der als Kühlmittelrohre gebildeten Stege zumindest abschnittsweise, insbesondere im Gasheader oder im Gasheadersteg geringer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Membranen.In order to ensure a connection between a gas header and a gas flow channel in the flow field frame, it is preferred that the height of the webs formed as coolant tubes, at least in sections, in particular in the gas header or in the gas header web, is less than the distance between two adjacent membranes.

In diesem Zusammenhang ist es vorgesehen, dass der Flussfeldrahmen einen Headersteg aufweist, und dass der Headersteg mindestens ein mit dem Flussfeld verbundenen Einlass zur Zuführung oder mindestens einen mit dem Flussfeld verbundenen Auslass zur Abführung eines Reaktanten in das oder aus dem Flussfeld aufweist. In den Headersteg sind dabei bevorzugt die Gaskanäle zur Durchführung der Reaktanten oder die Anschlüsse für die Gaskanäle eingearbeitet. Durch den Headersteg wird der Flussfeldrahmen zudem zusätzlich stabilisiert.In this context, it is provided that the flow field frame has a header web and that the header web has at least one inlet connected to the flow field for supply or at least one outlet connected to the flow field for discharging a reactant into or from the flow field. The gas channels for carrying out the reactants or the connections for the gas channels are preferably incorporated into the header web. The flow field frame is additionally stabilized by the header web.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich durch einen Befeuchter aus, der in den Strömungspfad mindestens einer der Reaktantenzuleitungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschaltet ist. Dies ermöglicht, dass der kathodenseitige Teil der Brennstoffzellenvorrichtung kompakt ist und somit vergleichsweise wenig Bauraum zur Konditionierung und Befeuchtung des Kathodengases zur Verfügung gestellt werden muss.The fuel cell device is characterized by a humidifier which is connected in the flow path of at least one of the reactant feed lines and the assigned reactant exhaust gas line. This makes it possible for the part of the fuel cell device on the cathode side to be compact and thus comparatively little installation space to be provided for conditioning and moistening the cathode gas.

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 einen Flussfeldrahmen in einer Draufsicht,
  • 3 einen Schnitt III-III aus 2,
  • 4 einen Schnitt IV-IV aus 2,
  • 5 eine alternative Ausführungsform eines Flussfeldrahmens in einer Draufsicht, in dem der Verbindungssteg mittig zwischen zwei Membranen angeordnet ist,
  • 6 einen Schnitt VI-VI aus 5,
  • 7 eine schematische Darstellung mehrerer als Kühlungsrohre gebildeten Stege mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten,
  • 8 ein Flussfeldrahmen nach 5 oder 2,
  • 9 den Schnitt IX-IX aus 8 und
  • 10 den Schnitt X-X aus 8.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. Show:
  • 1 2 shows a highly schematic illustration of a fuel cell device having a humidifier,
  • 2nd a flow field frame in a plan view,
  • 3rd a section III-III 2nd ,
  • 4th a section IV-IV 2nd ,
  • 5 an alternative embodiment of a flow field frame in a plan view, in which the connecting web is arranged centrally between two membranes,
  • 6 a section VI-VI 5 ,
  • 7 1 shows a schematic representation of a plurality of webs formed as cooling tubes with different flow cross sections,
  • 8th a river field frame after 5 or 2nd ,
  • 9 section IX-IX 8th and
  • 10th the section XX 8th .

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.In the 1 is from a fuel cell device 1 the part required to explain the invention is shown, the fuel cell device 1 a device for moisture regulation of a plurality of in a fuel cell stack 2nd summarized fuel cells includes.

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.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane that separates the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

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.A catalyst can additionally be added to the anodes and / or the cathodes, the membrane preferably being coated on its first side and / or on its 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 (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.Fuel (eg hydrogen) can be supplied to the anode 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). As 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 (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example air or oxygen-containing air) can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron absorption).

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.In order to ensure ion conductivity for hydrogen protons by the PEM, the presence of water molecules in the PEM is necessary. Therefore, in particular, the cathode gas is humidified before it is fed to the fuel cell in order to bring about a moisture saturation of the PEM.

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 erfindungsgemäß im Befeuchter 4, in den ein Ladeluftkühler integriert ist.Because in the fuel cell stack 2nd several fuel cells are combined, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that by a compressor 3rd a large cathode gas mass flow is provided, the temperature of the cathode gas increasing considerably as a result of the compression. The conditioning of the cathode gas, i.e. its setting with respect to that in the fuel cell stack 2nd desired parameters, takes place according to the invention in the humidifier 4th , in which an intercooler is integrated.

Der Befeuchter 4 ist dabei aus einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen 6 aufgebaut, die zwischen zwei Endplatten angeordnet und mittels Zugstäben miteinander verspannt sind. Die Befeuchtermodule 6 weisen einen Flussfeldrahmen 10 auf, wobei beidseits des Flussfeldrahmens 10 jeweils eine Membran 9 angeordnet ist.The humidifier 4th is made up of a number of humidifier modules 6 constructed, which are arranged between two end plates and are clamped together by means of tension rods. The humidifier modules 6 show a flow field frame 10th on both sides of the river field frame 10th one membrane each 9 is arranged.

In der 2 ist ein Flussfeldrahmen 10 dargestellt, der eine Mehrzahl an ein Flussfeld definierenden Stegen 11 aufweist, wobei sich die Stege 11 dadurch auszeichnen, dass mindestens einer der Stege 11 als ein Kühlmittelrohr 12 gebildet ist zur Durchleitung eines Kühlmediums. Der Flussfeldrahmen 10 ist dabei symmetrisch ausgebildet und weist vier Headerstege 21 auf, wobei jeder der Headerstege 21 mindestens einen mit dem Flussfeld verbundenen Einlass 22 zur Zuführung oder mindestens einen mit dem Flussfeld verbundenen Auslass 23 zur Abführung eines Reaktanten, vorliegend eines Kathodengases, aufweist. Mit dem Einlass 22 und dem Auslass 23 ist mindestens ein durch zwei Stege 11 gebildeter Ganskanal 24 zur Durchleitung des Reaktanten verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle der am Flussfeldrahmen 10 ausgebildeten Stege 11 als Kühlmittelrohre 12 gebildet, wobei eine Mehrzahl von Kühlmittelrohren 12 ein Anschluss 13 zur gleichzeitigen Zuleitung und/oder Ableitung des Kühlmediums zugeordnet ist.In the 2nd is a flow field frame 10th shown, the plurality of webs defining a flow field 11 has, wherein the webs 11 characterized in that at least one of the webs 11 as a coolant pipe 12th is formed for the passage of a cooling medium. The river field frame 10th is symmetrical and has four header bars 21 on, with each of the header bars 21 at least one inlet connected to the river field 22 for supply or at least one outlet connected to the flow field 23 for removing a reactant, in the present case a cathode gas. With the inlet 22 and the outlet 23 is at least one by two bars 11 formed goose channel 24th connected to feed the reactant. In the present exemplary embodiment, all are those on the flow field frame 10th trained bridges 11 as coolant pipes 12th formed with a plurality of coolant tubes 12th a connection 13 is assigned for the simultaneous supply and / or discharge of the cooling medium.

In 2 ist durch einen Pfeil exemplarisch ein Durchströmungsweg des Kühlmediums durch eines der Kühlmittelrohre 12 dargestellt, wobei ein erster Anschluss 14 als ein Kühlmitteleinlass für das Kühlmittel gebildet ist. Das Kühlmittel wird sodann vom ersten Anschluss 14 durch einen im Haedersteg 21 gebildeten Kanal in ein Kühlmittelrohr 12 geführt und durch dieses zum an der gegenüberliegenden Seite im Headersteg 21 ausgebildeten zweiten Anschluss 15 aus dem Flussfeldrahmen 10 herausgeleitet.In 2nd is an example of an arrow through a flow path of the cooling medium through one of the coolant tubes 12th shown, with a first connection 14 is formed as a coolant inlet for the coolant. The coolant is then from the first port 14 through one in the Haedersteg 21 formed channel in a coolant pipe 12th led and through this to the opposite side in the header web 21 trained second connection 15 from the river field frame 10th led out.

Zur Stabilisierung des Flussfeldrahmens 10 und des Befeuchters 4 sind drei die Kühlmittelrohre 12 miteinander verbindende Verbindungstege 16 vorhanden, wobei zumindest in einem der Verbindungsstege 16, insbesondere im mittig angeordneten Verbindungssteg 16, ein die Kühlmittelrohre 12 miteinander strömungsverbindender Kanal ausgebildet ist. Dieser nicht näher dargestellte Kanal dient der Verteilung des Kühlmittels zwischen den einzelnen Kühlmittelrohren 12.To stabilize the river field frame 10th and the humidifier 4th three are the coolant tubes 12th connecting connecting bridges 16 available, at least in one of the connecting webs 16 , especially in the middle of the connecting bridge 16 , a the coolant pipes 12th flow-connecting channel is formed. This channel, not shown, is used to distribute the coolant between the individual coolant pipes 12th .

3 zeigt einen Schnitt III-III aus 2, wobei zwischen zwei Membranen 9 des Befeuchters 4 jeweils ein Flussfeldrahmen 10 angeordnet ist. Die Stege 11 sind als Kühlmittelrohre 12 mit einem runden oder ovalen Strömungsquerschnitt gebildet. Der Einfachheit halber, sind nicht alle als Kühlmittelrohre 12 gebildeten Stege 11 dargestellt. Die drei Punkte sind als Platzhalter für weitere als Kühlmittelrohre 12 gebildete Stege 11 anzusehen. 3rd shows a section III-III 2nd , being between two membranes 9 of the humidifier 4th one flow field frame each 10th is arranged. The bridges 11 are as coolant pipes 12th formed with a round or oval flow cross-section. For the sake of simplicity, not all are coolant tubes 12th formed webs 11 shown. The three dots are used as placeholders for additional coolant pipes 12th formed webs 11 to watch.

4 zeigt einen Schnitt IV-IV aus 2, wobei verdeutlicht wird, dass der Verbindungssteg 16 zwischen zwei benachbarten Membranen 9 berührungslos mit diesen angeordnet ist. Der Verbindungssteg 16 ist dabei einmal in einer zu einer ersten der Membranen 17 zugewandten ersten Hälfte und einmal in einer zu der zweiten der Membranen 18 zugewandten zweiten Hälfte angeordnet; zwischen den benachbarten Membranen 17, 18. 4th shows a section IV-IV 2nd , showing that the connecting bridge 16 between two neighboring membranes 9 is arranged contactless with these. The connecting bridge 16 is in one to a first of the membranes 17th facing first half and once in one to the second of the membranes 18th facing second half arranged; between the neighboring membranes 17th , 18th .

Im Gegensatz dazu zeigt 6 einen Schnitt VI-VI eines in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Flussfeldrahmens 10, bei dem der Verbindungssteg 16 auf Höhe einer die beiden Hälften voneinander trennenden Lage 19 angeordnet ist. Der Verbindungssteg 16 ist folglich mittig zwischen den beiden Membranen 9 angeordnet und wie eine Flossenrohrwand gebildet, so dass die Verdeckung oder Abdeckung der Membran 9 durch die Verbindungstege 16 reduziert ist.In contrast, shows 6 a section VI-VI one in 5 illustrated embodiment of a flow field frame 10th where the connecting bridge 16 at a level separating the two halves from one another 19th is arranged. The connecting bridge 16 is consequently in the middle between the two membranes 9 arranged and formed like a fin tube wall, so that the concealment or covering of the membrane 9 through the connecting bridges 16 is reduced.

7 zeigt exemplarisch verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung der Kühlmittelrohre 12 mit einem rechteckigen oder quadratischen Strömungsquerschnitt oder mit einem ovalen oder mit einem runden Strömungsquerschnitt, wobei entweder alle Kühlmittelrohre 12 denselben Strömungsquerschnitt aufweisen oder die Kühlmittelrohre 12 unterschiedliche Strömungsquerschnitte aufweisen können. Insbesondere kann mindestens eines der Kühlmittelrohre 12 mindestens einen Schenkel 20 aufweisen, der mit einer der benachbarten Membranen 9 verbunden ist oder diese kontaktiert. Durch die zusätzliche Ausbildung der Schenkel 20 ist es möglich, den Strömungsquerschnitt des Kühlmittelrohres 12 zu reduzieren, so dass die Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel durch das Kühlmittelrohr 12 strömt, erhöht ist. Somit ist es möglich, in unterschiedlichen Abschnitten oder unterschiedlichen Regionen des Flussfeldrahmens 10 unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühlmittelrohren 12 zu erreichen. Dies ermöglicht insbesondere in der Mitte oder an den Rändern des Flussfeldrahmens 10 eine gleichmäßige Temperierung oder Konditionierung des Kathodengases. 7 shows examples of different ways of designing the coolant pipes 12th with a rectangular or square flow cross-section or with an oval or with a round flow cross-section, whereby either all coolant tubes 12th have the same flow cross-section or the coolant tubes 12th can have different flow cross-sections. In particular, at least one of the coolant tubes 12th at least one leg 20 have, with one of the adjacent membranes 9 connected or contacted. Due to the additional training of the legs 20 it is possible to change the flow cross section of the coolant tube 12th to reduce so that the speed at which the coolant through the coolant pipe 12th flows, is elevated. It is therefore possible in different sections or different regions of the river field frame 10th different flow velocities in the coolant pipes 12th to reach. This enables in particular in the middle or on the edges of the river field frame 10th an even temperature or conditioning of the cathode gas.

8 zeigt einen Flussfeldrahmen 10 nach den in 2 oder in 5 dargestellten Ausführungsbeispielen mit einem Schnitt IX-IX, der in 9 gezeigt ist. Dabei wird deutlich, dass die Höhe der als Kühlmittelrohre 12 gebildeten Stege 11 zumindest abschnittsweise geringer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Membranen 9. Dies ist insbesondere im Bereich der Headerstege 21 der Fall, da vom Anschluss 13 im Headersteg 21 sowohl zu den Kühlmittelrohren 12 führende Kanäle als auch Gaskanäle 24 für das Flussfeld ausgebildet sind. 8th shows a flow field frame 10th after the in 2nd or in 5 illustrated embodiments with a section IX-IX, which in 9 is shown. It is clear that the height of the coolant pipes 12th formed webs 11 at least in sections is less than the distance between two adjacent membranes 9 . This is particularly true in the area of the header bars 21 the case because of the connection 13 in the header web 21 both to the coolant pipes 12th leading channels as well as gas channels 24th are trained for the river field.

10 zeigt einen Schnitt X-X aus 8, wobei auch hier deutlich wird, dass die Höhe der als Kühlmittelrohre 12 gebildeten Stege 11 zumindest abschnittsweise geringer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Membranen 9 ist. 10th shows a section XX 8th , which also shows that the height of the coolant pipes 12th formed webs 11 at least in sections less than the distance between two adjacent membranes 9 is.

BezugszeichenlisteReference list

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22nd
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33rd
Verdichtercompressor
44th
BefeuchterHumidifier
66
BefeuchtermoduleHumidifier modules
99
Membranmembrane
1010th
FlussfeldrahmenRiver field frame
1111
Stegweb
1212th
KühlmittelrohrCoolant pipe
1313
Anschlussconnection
1414
erster Anschlussfirst connection
1515
zweiter Anschlusssecond connection
1616
VerbindungsstegConnecting bridge
1717th
erste Membranfirst membrane
1818th
zweite Membransecond membrane
1919th
Lagelocation
2020
Schenkelleg
2121
HeaderstegHeader web
2222
Einlassinlet
2323
AuslassOutlet
2424th
GaskanalGas channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016113740 A1 [0006]DE 102016113740 A1 [0006]

Claims (10)

Befeuchter (4) mit mehreren zwischen zwei Endplatten angeordneten, eine für Wasserdampf durchlässige Membran (9) aufweisenden Befeuchtermodulen (6), bei denen beidseits der Membran (9) jeweils ein Flussfeldrahmen (10) mit einer Mehrzahl an ein Flussfeld definierenden Stegen (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stege (11) als ein Kühlmittelrohr (12) gebildet ist zur Durchleitung eines Kühlmediums.Humidifier (4) with a plurality of humidifier modules (6) arranged between two end plates and having a membrane (9) permeable to water vapor, in each of which a flow field frame (10) with a plurality of webs (11) defining a flow field on both sides of the membrane (9) is arranged, characterized in that at least one of the webs (11) is formed as a coolant tube (12) for the passage of a cooling medium. Befeuchter (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von als Kühlmittelrohre (12) gebildete Stege (11) vorhanden ist, welcher ein Anschluss (13) zur gleichzeitigen Zuleitung und/oder Ableitung des Kühlmediums zugeordnet ist.Humidifier (4) after Claim 1 , characterized in that a plurality of webs (11) formed as coolant tubes (12) are present, to which a connection (13) for the simultaneous supply and / or discharge of the cooling medium is assigned. Befeuchter (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Kühlmittelrohre (12) über mindestens einen Kanal miteinander strömungsverbunden sind.Humidifier (4) after Claim 1 or 2nd , characterized in that at least two of the coolant tubes (12) are fluidly connected to one another via at least one channel. Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussfeldrahmen (10) mindestens einen zumindest zwei der Kühlmittelrohre (12) miteinander verbindenden Verbindungssteg (16) aufweist.Humidifier (4) according to one of the Claims 1 to 3rd characterized in that the flow field frame (10) has at least one connecting web (16) connecting at least two of the coolant tubes (12) to one another. Befeuchter (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungssteg (16) zwischen zwei benachbarten Membranen (9), berührungslos mit diesen, angeordnet ist.Humidifier (4) after Claim 4 , characterized in that the connecting web (16) is arranged between two adjacent membranes (9) without contacting them. Befeuchter (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungssteg (16) in einer zu einer ersten der Membranen (17) zugewandten ersten Hälfte oder in einer zu einer zweiten der Membranen (18) zugewandten zweiten Hälfte oder auf Höhe einer die beiden Hälften voneinander trennenden Lage (19) angeordnet ist.Humidifier (4) after Claim 5 characterized in that the connecting web (16) in a first half facing a first of the membranes (17) or in a second half facing a second of the membranes (18) or at the level of a layer (19) separating the two halves from one another is arranged. Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kühlmittelrohr (12) mindestens einen Schenkel (20) aufweist, der mit einer der benachbarten Membranen (9) verbunden ist.Humidifier (4) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that the at least one coolant tube (12) has at least one leg (20) which is connected to one of the adjacent membranes (9). Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der als Kühlmittelrohre (12) gebildeten Stege (11) zumindest abschnittsweise geringer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Membranen (9).Humidifier (4) according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the height of the webs (11) formed as coolant tubes (12) is at least partially less than the distance between two adjacent membranes (9). Befeuchter (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussfeldrahmen (10) einen Headersteg (21) aufweist und dass der Headersteg (21) mindestens einen mit dem Flussfeld verbundenen Einlass (22) zur Zuführung oder mindestens einen mit dem Flussfeld verbundenen Auslass (23) zur Abführung eines Reaktanten in das oder aus dem Flussfeld aufweist.Humidifier (4) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the flow field frame (10) has a header web (21) and that the header web (21) has at least one inlet (22) connected to the flow field for supply or at least one outlet (23) connected to the flow field for discharging a reactant in or out of the river field. 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 Ansprüchen 1 bis 9, der in den Strömungspfad mindestens einer der Reaktantenzuleitungen und der zugeordneten Reaktantenabgasleitung geschaltet ist.Fuel cell device (1) with a fuel cell having a membrane electrode arrangement, the electrodes of which are assigned to electrode spaces, which can be supplied with reactants via reactant supply lines and which has rectant exhaust gas lines, characterized by a humidifier (4) according to FIGS Claims 1 to 9 , which is connected in the flow path of at least one of the reactant feed lines and the assigned reactant exhaust gas line.
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