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
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
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 aus2 , -
4 einen Schnitt IV-IV aus2 , -
5 eine alternative Ausführungsform eines Flussfeldrahmens in einer Draufsicht, in dem der Verbindungssteg mittig zwischen zwei Membranen angeordnet ist, -
6 einen Schnitt VI-VI aus5 , -
7 eine schematische Darstellung mehrerer als Kühlungsrohre gebildeten Stege mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten, -
8 ein Flussfeldrahmen nach5 oder2 , -
9 den Schnitt IX-IX aus8 und -
10 den Schnitt X-X aus8 .
-
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-III2nd , -
4th a section IV-IV2nd , -
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-VI5 , -
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 after5 or2nd , -
9 section IX-IX8th and -
10th the section XX8th .
In der
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
Der Befeuchter
In der
In
Zur Stabilisierung des Flussfeldrahmens
Im Gegensatz dazu zeigt
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]
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