DE102019205814A1

DE102019205814A1 - Konditionierungsvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen

Info

Publication number: DE102019205814A1
Application number: DE102019205814.0A
Authority: DE
Inventors: Rune Staeck; Tore Westphal
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungsvorrichtung (200) zur Konditionierung eines Frischgases, umfassend mindestens ein Befeuchtermodul (300) zur Befeuchtung des Frischgases sowie mindestens ein Temperierungsmodul (400) zur Temperierung des Frischgases, welches einen temperierbaren und wärmeleitenden Materialkern (402) umfasst, in welchem mindestens ein Strömungskanal (404) zur Durchströmung und zur Temperierung des trockenen Frischgases oder des im Befeuchtermodul (300) befeuchteten Frischgases ausgebildet ist. Das Befeuchtermodul (300) umfasst einen hydrophilen und/oder hygroskopischen Materialkern (302), in welchem mindestens ein Strömungskanal (304) zur Durchströmung und zur Befeuchtung des trockenen Frischgases membranfrei ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit einer solchen Konditionierungsvorrichtung (200).

Description

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungsvorrichtung zur Konditionierung eines Frischgases, insbesondere vor seiner Zuführung an einen Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend mindestens ein Befeuchtermodul zur Befeuchtung des Frischgases sowie mindestens ein Temperierungsmodul zur Temperierung des Frischgases, welches einen temperierbaren und wärmeleitenden Materialkern umfasst, in welchem mindestens ein Strömungskanal zur Durchströmung und zur Temperierung des trockenen Frischgases oder des im Befeuchtermodul befeuchteten Frischgases ausge-bildet ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen Konditionierungsvorrichtung.
Die Konditionierungsvorrichtung vereint die Funktionen eines Befeuchters und eines Ladeluftkühlers und wird typischerweise in den Kathodenkreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung eingebunden. 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 der 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.
In den Druckschriften DE 10 2013 004 799 A1 und DE 10 2015 122 144 A1 sind Befeuchter mit einer plattenförmigen Membran beschrieben. In den Druckschriften DE 101 02 358 B1 und DE 10 2015 222 635 A1 sind Befeuchter beschrieben, die mit Hohlfasermembranen ausgestattet sind, um die relative Feuchte des Frischgases zu erhöhen, wobei die Möglichkeit des Temperierens eines Gasstromes offenbart wird. Der Einsatz von derartigen Hohlfasermodulen ist sehr kostspielig, da diese aus teuren Komponenten bestehen. In der Druckschrift 10 2010 052 704 A1 ist eine Keramikbaugruppe beschrieben, die einen kombinierten Wärmetauscher und Befeuchter aus einzelnen Segmenten poröser Keramik umfasst, welche jedoch aufwendig in der Herstellung und der Abdichtung gegenüber der Umgebung ist.
Letztlich ist in der DE 10 2016 113 740 A1 ein Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium beschrieben, das die Funktionen des Befeuchters und des Ladeluftkühlers oder einer Heizeinrichtung in sich vereint. Dieses Konditionierungsmodul zeigt die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und hat sich bisher sehr gut bewährt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Konditionierungsvorrichtung sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Konditionierungsvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Konditionierungsvorrichtung zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass das Befeuchtermodul einen hydrophilen und/oder hygroskopischen und vorzugsweise kapillaraktiven Materialkern umfasst, in welchem mindestens ein Strömungskanal zur Durchströmung und zur Befeuchtung des trockenen Frischgases membranfrei ausgebildet ist. Damit wird also bei der Konditionierungsvorrichtung auf eine teure Membran verzichtet und der ohnehin nur begrenzt vorhandene Bauraum sinnvoller ausgenutzt. Durch den hydrophilen und/oder hygroskopischen und vorzugsweise kapillaraktiven Materialkern ist zusätzlich gewährleistet, dass flüssiges Wasser nicht in den Brennstoffzellenstapel transportiert wird, was dort zur Beeinträchtigung des Betriebs und zur Schädigung führen könnte. Vielmehr wird das flüssige Wasser im hydrophilen und/oder hygroskopischen und vorzugsweise kapillaraktiven Materialkern zurückgehalten und nur gezielt homogen in den Frischgasstrom abgegeben. Das zusätzlich in die Konditionierungvorrichtung integrierte Temperierungsmodul führt zu einer besonders kompakten Bauweise, die Bauraum einspart.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem Materialkern des Befeuchtermoduls membranfrei mindestens ein weiterer Strömungskanal für feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. Die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit wird aufgrund des hydrophilen und/oder hygroskopischen und vorzugsweise kapillaraktiven Materialkerns aufgenommen und durch diesen wieder gleichmäßig in das trockene Frischgas eingebracht. Die Aufnahme der Flüssigkeit wird dadurch verbessert, dass der Materialkern außerdem kapillaraktiv gebildet ist, dieser also einen Kapillareffekt ausnutzt, um Flüssigkeit in sich aufzusaugen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem Materialkern des Temperierungsmoduls ebenfalls mindestens ein weiterer Strömungskanal für feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. Für einen verbesserten Gastransport bzw. Massenfluss der Gase durch die Konditionierungsvorrichtung ist es sinnvoll, wenn die Strömungskanäle beider Module für Frischgas, und wenn die Strömungskanäle beider Module für Abgas strömungsmechanisch miteinander verbunden sind; die Strömungskanäle also insbesondere fluchtend miteinander ausgebildet und/oder angeordnet sind.
Um das Befeuchtermodul fluiddicht gegenüber der Umgebung zu bilden, besteht die Möglichkeit, dass sich der Materialkern des Befeuchtermoduls in einem Gehäuse befindet, das über geeignete Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Frischgases und des Abgases verfügt. Dieses Gehäuse kann zugleich das Gehäuse für das Temperierungsmodul oder der gesamten Konditionierungsvorrichtung sein. Alternativ oder zusätzlich ist die Möglichkeit geschaffen, dass der Materialkern des Befeuchtermoduls, insbesondere mit Ausnahme seines - vorzugsweise stirnseitigen - Zuflusses und mit Ausnahme seines - vorzugsweise stirnseitigen - Abflusses, mit einer Beschichtung versehen ist, die ausgestaltet ist, den Materialkern des Befeuchtermoduls flüssigkeitsdicht und/oder fluiddicht gegenüber der Umgebung abzudichten. In dieser Ausgestaltung kann der Materialkern des Befeuchtermoduls auch gehäusefrei gestaltet sein. Anstelle einer bloßen Beschichtung kann auch eine Imprägnierung vorliegen, die in die Poren oder Zwischenräume des Materialkerns des Befeuchtermoduls bis zu einer vorgegebenen Tiefe eindringt und damit eine Abdichtung gegenüber der Umgebung hervorruft. Zur Flüssigkeitsabdichtung kann hierzu ein geeignetes hydrophobes, bspw. fetthaltiges Material Verwendung finden. Für eine gasdichte Abdichtung kann ebenfalls ein geeignetes Material, bspw. Silikon oder dergleichen, eingesetzt werden.
Um die Leistung des Befeuchtermoduls zu erhöhen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn eine Mehrzahl an Strömungskanälen vorhanden ist, wenn die Strömungskanäle jeweils einen im Materialkern des Befeuchtermoduls ausgebildeten Zufluss und jeweils einen im Materialkern des Befeuchtermoduls ausgebildeten Abfluss umfassen. Um die Leistung des Temperierungsmoduls zu erhöhen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn eine Mehrzahl an Strömungskanälen vorhanden ist, wenn die Strömungskanäle jeweils einen im Materialkern des Temperierungsmoduls ausgebildeten Zufluss und jeweils einen im Materialkern des Temperierungsmoduls ausgebildeten Abfluss umfassen. Vorzugsweise ist zusätzlich eine den Zuflüssen zugeordnete Verteilereinheit zur Aufteilung eines Gasstroms in einzelne Teilgasströme auf die Zuflüsse vorhanden, wobei es sich zudem als vorteilhaft erwiesen hat, wenn eine den Abflüssen zugeordnete Sammlereinheit zur Zusammenführung von Teilgasströmen eines aufgeteilten, aus den Abflüssen austretenden Gasstroms vorhanden ist.
Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass das Befeuchtermodul Strömungskanäle für Frischgas und Strömungskanäle für Abgas umfasst. Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass das Temperierungsmodul Strömungskanäle für Frischgas und Strömungskanäle für Abgas umfasst. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn zwar das Befeuchtermodul Strömungskanäle für Frischgas und Strömungskanäle für Abgas umfasst, wobei aber das Temperierungsmodule lediglich Strömungskanäle für Frischgas aufweist und die Abgasströmung mittels eines Bypasses am Temperierungsmodul vorbeigeführt ist, weil so die Abgaskanäle von einen mit dem Materialkern des Temperierungsmoduls verbundenen Kühlkreislauf ausgeschlossen werden können.
Vorzugsweise ist dem Materialkern des Befeuchtermoduls und/oder dem Materialkern des Termperierungsmoduls eine stapelseitige Endkappe zum Verteilen und/oder zum Sammeln von Gasströmen zugeordnet. Außerdem ist vorzugsweise dem Materialkern des Befeuchtermoduls und/oder dem Materialkern des Temperierungsmoduls eine verdichterseitige Endkappe zum Verteilen und/oder zum Sammeln von Gasströmen zugeordnet.
Wenn die Endkappe zum Verteilen des Gasstroms auf Strömungskanäle ausgestaltet ist, so stellt diese dann eine Verteilereinheit dar. Wenn die Endkappe zum Sammeln eines Gasstroms durch Zusammenführung von Teilgasströmen aus den Strömungskanälen gebildet ist, so stellt die Endkappe eine Sammlereinheit dar. In dem Falle, dass die Endkappe sowohl zum Verteilen als auch zum Sammeln ausgebildet ist, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine einstückige oder monolithisch gebildete Endkappe vorhanden ist, die aus einer Verteilereinheit und einer Sammlereinheit besteht, oder die aus einer Mehrzahl von Verteilereinheiten oder einer Mehrzahl von Sammlereinheiten besteht.
Zur verbesserten, stufenweisen Regulierung der Feuchte und der Temperatur des Kathodengases ist es möglich, dass das mindestens eine Befeuchtermodul und das mindestens eine Temperierungsmodul zwischen der Verteilereinheit und der Sammlereinheit in Reihe geschaltet sind. Wenn Endkappen vorhanden sind, so sind das mindestens eine Befeuchtermodul und das mindestens eine Temperierungsmodul zwischen den Endkappen in Reihe geschaltet. Durch die Reihenschaltung liegen in Längsrichtung der Konditionierungsvorrichtung ausgerichtete Gasströmungen vor. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere der Befeuchtungsmodule mit mehreren der Temperierungsmodule in Reihe geschaltet sind, wobei sich für eine gleichmäßigere Konditionierung des Betriebsmediums oder des Frischgases eine alternierende Reihenfolge der Befeuchtungsmodule und der Temperierungsmodule anbietet.
Um eine gleichmäßigere, homogenere Einbringung von Feuchtigkeit in die Kathodenzuluft zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strömungskanäle im Materialkern des Befeuchtermoduls reihenweise ausgebildet sind. Alternativ können die Strömungskanäle im Materialkern des Befeuchtermoduls jedoch auch auf Kreisen angeordnet sein, die konzentrisch bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns des Befeuchtermoduls angeordnet sind.
Um eine gleichmäßigere, homogenere Einbringung oder Ausbringung von Wärme in die oder aus der Kathodenzuluft zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Strömungskanäle im Materialkern des Temperierungsmoduls reihenweise ausgebildet sind. Alternativ können die Strömungskanäle im Materialkern des Temperierungsmoduls jedoch auch auf Kreisen angeordnet sein, die konzentrisch bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns des Temperierungsmoduls angeordnet sind.
Eine ebenfalls gleichmäßige und homogene Einbringung der Feuchtigkeit in das trockene Frischgas lässt sich bei einer reihenweisen Anordnung der Strömungskanäle im Materialkern des Befeuchtermoduls dadurch realisieren, dass die Reihen der Strömungskanäle für Frischgas alternierend zu den Reihen der Strömungskanäle für Abgas angeordnet sind. Analog hierzu können auch die Strömungskanäle im Materialkern des Temperierungsmoduls in alternierenden Reihen angeordnet sein, um eine gleichmäßigere und homogenere Temperierung, d.h. eine Erwärmung oder eine Kühlung der Kathodenzuluft zu bewirken.
Eine ebenfalls gleichmäßige und homogene Befeuchtung des trockenen Frischgases lässt sich bei auf Kreisen, insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Strömungskanälen, dadurch realisieren, dass die Kreise der Strömungskanäle für Frischgas in radialer Richtung alternierend zu den Kreisen der Strömungskanäle für Abgas angeordnet sind. Analog hierzu können auch die Strömungskanäle im Materialkern des Temperierungsmoduls auf alternierenden Kreisen angeordnet sein, um eine gleichmä-ßigere und homogenere Temperierung, d.h. eine Erwärmung oder eine Kühlung der Kathodenzuluft zu bewirken.
Zur Temperierung, insbesondere zur Kühlung der Kathodenzuluft kann das ohnehin in Kraftfahrzeugen vorhandene Kühlmittel oder auch das zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels vorgesehene Kühlmittel Verwendung finden. Deshalb ist es sinnvoll, wenn der Materialkern des Temperierungsmoduls mindestens einen Anschluss, vorzugsweise aber einen Anschluss für den Kühlmittelzufluss und einen Anschluss für den Kühlmittelabfluss, für einen Kühlmittelkreislauf aufweist, und wenn in dem Materialkern des Temperierungsmoduls mindestens eine mit dem Anschluss strömungsmechanisch verbundene Kühlmittelleitung geführt ist.
Eine gleichmäßige Temperierung des Materialkerns des Temperierungsmoduls und damit des Frischgasstromes lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass die mindestens eine Kühlmittelleitung zwischen den Strömungskanälen mäanderförmig durch den Materialkern des Temperierungsmoduls geführt ist. Wenn die Strömungskanäle reihenweise angeordnet sind, so ist es sinnvoll, wenn die Kühlmittelleitung mäanderförmig, die Reihen zwischen sich einschließend, geführt ist.
Eine gleichmäßige Temperierung des Materialkerns des Temperierungsmoduls und damit des Frischgasstromes lässt sich beispielsweise außerdem dadurch erzielen, dass die mindestens eine Kühlmittelleitung Leitungsteilkreise umfasst, die zwischen den Strömungskanälen geführt sind, und die strömungsmechanisch mittels radial bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns des Temperierungsmoduls ausgerichteter Leitungsstufen miteinander verbunden sind. Wenn die Strömungskanäle auf Kreisen angeordnet sind, so ist es sinnvoll, wenn die Teilkreisleitungen zwischen den aus den Strömungskanälen gebildeten Kreisen verlaufen, und wenn die die Teilkreisleitungen verbindenden Leitungsstufen jeweils zwischen zwei der auf einem gemeinsamen Kreis angeordneten Strömungskanälen verlaufen.
Die Materialkerne des Befeuchtermoduls und/oder des Temperierungsmoduls können im Querschnitt rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein, wobei aber vorzugsweise eine zylindrische Gestaltung mit kreisförmigem Querschnitt Einsatz finden kann. Die Formgebung der Materialkerne und damit der Konditionierungsvorrichtung lässt sich dabei an den im Brennstoffzellenfahrzeug oder bei der Brennstoffzellenvorrichtung vorhandenen Bauraum anpassen.
Als besonders hydrophiles und/oder hygroskopisches und kapillaraktives Material hat sich Calciumsilikat erwiesen, womit der Materialkern des Befeuchtermoduls vorzugsweise aus Calciumsilikat besteht oder Calciumsilikat umfasst.
Sollte die im Abgas vorhandene Flüssigkeit nicht ausreichen, um das trockene Frischgas hinreichend zu befeuchten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzlich ein Anschluss zur Zuführung einer Flüssigkeit an den Materialkern des Befeuchtermoduls vorhanden ist. Alternativ kann der Materialkern des Befeuchtermoduls auch mit einem Sammelbecken für Flüssigkeit oder einem entsprechenden Abscheider in Kontakt stehen, so dass aufgrund seiner Kapillaraktivität, Hygroskopie oder seiner Hydrophilie die darin befindliche Flüssigkeit aufgesaugt und an den trockenen Frischgasstrom abgegeben werden kann. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die anodenseitig anfallende Flüssigkeit gesammelt wird und kathodenseitig der Konditionierungsvorrichtung, insbesondere dem mindestens einen Befeuchtermodul der Konditionierungsvorrichtung, zugeleitet ist. Alternativ kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit auch in den Abgasstrom stromauf der Konditionierungsvorrichtung eingebracht werden, um eine stärkere Befeuchtung des Materialkerns des Befeuchtermoduls zu erwirken. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit stromauf der Konditionierungsvorrichtung in das trockene Frischgas, vorzugsweise stromab eines Verdichters eingebracht wird. Die Anordnung stromab des Verdichters führt zu einer verbesserten Feuchtigkeitsaufnahme, da die Kathodenzuluft aufgrund des Verdichtens erwärmt wird und deshalb mehr Feuchtigkeit speichern kann. Die Einbringung von Flüssigkeit stromauf der Konditionierungsvorrichtung in die Zuluft vermeidet eine Flutung des Brennstoffzellenstapels, da die Flüssigkeit vom Materialkern des Befeuchtermoduls aufgesaugt und gespeichert werden kann.
Es kann jedoch auch gewünscht sein, entsprechende Kondensationseffekte auszunutzen, um den Materialkern des Befeuchtungsmoduls zu befeuchten. In diesem Zusammenhang hat es sich deshalb als sinnvoll erwiesen, wenn die Konditionierungsvorrichtung, insbesondere der mindestens eine Materialkern des Befeuchtermoduls in wärmeleitenden Kontakt mit luftgekühlten Kühlrippen oder mit flüssiggekühlten Kühlmittelleitungen steht. Dabei kann es auch sinnvoll sein, dass stromauf der Konditionierungsvorrichtung die luftgekühlten Kühlrippen oder die flüssiggekühlten Kühlmittelleitungen bereitgestellt und mit der Kathodenabgasleitung in wärmeleitender Verbindung stehen, um diese herunterzukühlen, damit die Flüssigkeit im Abgas kondensiert und im Materialkern des Befeuchtermoduls aufgesaugt werden kann. Es ist auch möglich eine Kühleinrichtung der stapelseitigen Endkappe zuzuordnen, um das Kathodenabgas herunterzukühlen. Eine Kühleinrichtung mit Kühlrippen kann dabei einstückig mit der Endkappe gebildet sein.
Die für die erfindungsgemäße Konditionierungsvorrichtung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einer solchen ausgestattet ist.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 schematisch eine erste Konditionierungsvorrichtung, welcher der trockene und untemperierte Frischgaszustrom im Bild von links zugeführt wird (linker Pfeil), und aus welcher der befeuchtete und temperierte Frischgasstrom nach rechts austritt (rechter Pfeil),
2 schematisch eine weitere Konditionierungsvorrichtung, welcher der trockene und untemperierte Frischgaszustrom im Bild von links unten zugeführt wird (linker unterer Pfeil), aus welchem der befeuchtete und temperierte Frischgasstrom nach rechts unten austritt (rechter unterer Pfeil), bei welcher außerdem das feuchte Abgas im Bild von links oben zugeführt wird (linker oberer Pfeil), und aus welcher das getrocknete Abgas nach rechts austritt (rechter oberer Pfeil),
3 schematisch eine Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Konditionierungsvorrichtung,
4 schematisch eine Schnittansicht durch die Konditionierungsvorrichtung nach 2, wobei der Übersicht halber der Strömungskanal für zu befeuchtendes und zu temperierendes Frischgas mit einer durchgezogenen Linie und der Strömungskanal für feuchtes Abgas strichliert dargestellt sind.
5 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Befeuchtungsmodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 1, wobei die dunklen Punkte die Einbringung von Flüssigkeit in den Frischgasstrom illustriert,
6 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Befeuchtermodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 2 mit reihenweise angeordneten Strömungskanälen,
7 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Befeuchtermodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 2 mit auf Kreisen angeordneten Strömungskanälen,
8 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Temperierungsmodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 1 mit reihenweise angeordneten Strömungskanälen, und mit mäanderförmiger Führung der Kühlmittelleitung,
9 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Temperierungsmodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 2 mit reihenweise angeordneten Strömungskanälen, und mit mäanderförmiger Führung der Kühlmittelleitung,
10 eine weitere mögliche Schnittansicht durch ein Temperierungsmodul einer Konditionierungsvorrichtung im Sinne der 2 mit auf Kreisen angeordneten Strömungskanälen, und mit einer Kühlmittelleitung, die Teilkreisleitungen und Leitungsstufen umfasst,
11 schematisch eine weitere Konditionierungsvorrichtung mit luftgekühlten Kühlrippen und/oder mit flüssiggekühlten Kühlmittelleitungen, und
12 schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Kondition ierungsvorrichtung.

In der 12 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 100 gezeigt, wobei diese eine Konditionierungsvorrichtung 200 zur Feuchteregulierung und zur Einstellung der Temperatur des kathodenseitigen Betriebsmediums aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 100 umfasst eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 102 zusammengefassten Brennstoffzellen.
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 Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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.
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.
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).
Da in dem Brennstoffzellenstapel 102 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 104 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 102 gewünschten Parameter, erfolgt in der dem Verdichter 104 nachgelagerten Konditionierungsvorrichtung 200, die die Funktionen eines Ladeluftkühlers sowie eines Befeuchters in sich vereint. Eine Sättigung der Membranen der Brennstoffzelle steigert dabei deren Effizienz, da dies den Protonentransport begünstigt.
Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Anodenzufuhrleitung 112 fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 102 zugeführt werden kann. Zur Vorkonditionierung des Brennstoffes kann in die Anodenzufuhrleitung 112 zusätzlich ein Rekuperativ-Wärmetauscher 108 eingebunden sein, um das in der Regel kühle Brennstoffgas zu erwärmen. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb des Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung 114 zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung 114 kann der im Brennstoffzellenstapel 102 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 102 erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung 114 wieder in die Anodenzufuhrleitung 112 mündet. Für den erforderlichen Massetransport kann dabei auch ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse in die Anodenrezirkulationsleitung 114 eingebunden sein. Um die Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung 114 ein Abscheider 116 eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 100 verbunden, so dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit beispielsweise in die stromab des Brennstoffzellenstapels 102 vorhandene Kathodenabgasleitung 110 eingebracht wird, um die Flüssigkeit beispielsweise aus der Brennstoffzellenvorrichtung 100 auszuleiten oder um - wie vorliegend gezeigt - die Flüssigkeit der Konditionierungsvorrichtung 200 zuzuführen. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit vom Abscheider 116 auch in eine Kathodenzufuhrleitung 106 stromauf der Konditionierungsvorrichtung 200 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in die Konditionierungsvorrichtung 200 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Konditionierungsvorrichtung 200 insgesamt kleiner ausgelegt werden kann, da das frische, durch das Verdichten mittels des Verdichters 104 trockene Frischgas dann nicht mehr so stark zu befeuchten ist, um im Brennstoffzellenstapel 102 die erforderliche Feuchte der Membranen zu gewährleisten.
Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung mündet jedoch eine mit dem Abscheider 116 fluidmechanisch verbundene Flüssigkeitsleitung in die Konditionierungsvorrichtung 200 unmittelbar, wozu diese vorzugsweise einen Anschluss 220 aufweist, über den die Flüssigkeit in die Konditionierungsvorrichtung 200 gelangen kann.
Der Aufbau der Konditionierungsvorrichtung 200 lässt sich beispielsweise anhand von 1 näher erkennen. Die Konditionierungsvorrichtung 200 umfasst mindestens ein Befeuchtermodul 300 zur Befeuchtung des Frischgases und mindestens ein Temperierungsmodul 400 zur Temperierung des Frischgases. Vorzugsweise sind mehrere der Befeuchtermodule 300 und mehrere der Temperierungsmodule 400 vorhanden, die in einer alternierenden und damit abwechselnden Reihenfolge in der Konditionierungvorrichtung 200 in Reihe geschaltet sind, womit ein Gasfluss im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckung der Konditionierungsvorrichtung 200 vorliegt.
Das Temperierungsmodul 400 umfasst einen temperierbaren und wärmeleitenden Materialkern 402, in welchem mindestens ein Strömungskanal 404 zur Durchströmung und zur Temperierung des trockenen Frischgases oder des im Befeuchtermodul 300 bereits befeuchteten Frischgases ausgebildet ist. Der mindestens eine oder die mehreren Strömungskanäle 404 können dabei in den Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 eingearbeitet sein.
Das Befeuchtermodul 300 umfasst einen Materialkern 302, der aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen und kapillaraktiven Material besteht, welches vorzugsweise gleichzeitig kapillaraktiv ist, also einen Kapillareffekt zum Aufsaugen von Flüssigkeit ausnutzen kann. Der Materialkern 302 des Befeuchtermoduls 300 kann beispielsweise die über den Anschluss 220 ( 12) eingebrachte Flüssigkeit aufsaugen und gezielt, vorzugsweise sehr homogen und gleichmäßig in einen Strömungskanal 304 für trockenes Frischgas einbringen. Das Befeuchtermodul 300 zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der mindestens eine Strömungskanal 304 zur Befeuchter des trockenen Frischgases in dem hydrophilen und/oder hygroskopischen und kapillaraktiven Materialkern 302 membranfrei ausgebildet ist und daher auf eine Hohlfasermembran komplett verzichtet. Dadurch lässt sich das Befeuchtermodul 300 besonders kostengünstig herstellen und an beliebige Bauraumgegebenheiten anpassen. Der mindestens eine oder die mehreren Strömungskanäle 304 können dabei also in den Materialkern 302 des Befeuchtermoduls 300 eingearbeitet sein. Vorzugsweise ist der Materialkern 302 aus Calciumsilikat gebildet oder umfasst zumindest ein solches.
Die in den vorliegend zylindrisch gestalteten Materialkernen 302, 402 ausgebildeten Strömungskanäle 304, 404 für trockenes Frischgas lassen sich im Querschnitt auch nochmals der 3 entnehmen. Der mindestens eine Strömungskanal 304 für Frischgas des Befeuchtermoduls 300 fluchtet mit dem mindestens einen Strömungskanal 404 für Frischgas des Temperierungsmoduls 400, weshalb in 3 die Bezugszeichen beider Module angebracht sind, um deren im Wesentlichen gleichen Aufbau zu veranschaulichen.
In 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer Konditionierungsvorrichtung 200 gezeigt, bei der mehrere Strömungskanäle 304, 306, 404, 406 vorliegen, wobei mindestens ein Strömungskanal 304, 404 für trockenes Frischgas und mindestens ein (lediglich der Übersicht halber strichliert dargestellter) Strömungskanal 306, 406 für feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 102 vorhanden sind. Der hydrophile und/oder hygroskopische und kapillaraktive Materialkern 202 entzieht dabei dem Abgas die Feuchtigkeit und führt diese gezielt und homogen, gleichmäßig dem Frischgas im Strömungskanal 304 des Befeuchtermoduls 300 zu. Um eine verbesserte Wasserbindung aus dem Abgas zu erhalten, ist der Materialkern 302 vorliegend zudem hygroskopisch. Die gegenseitige Lage der Strömungskanäle 304, 306, 404, 406 lässt sich beispielsweise dem Querschnitt nach 4 entnehmen, wobei angemerkt sei, dass die Strömungsrichtung für trockenes Frischgas und für feuchtes Abgas sowohl im Gleichstromprinzip als auch im Gegenstromprinzip möglich ist. Der mindestens eine Strömungskanal 304 für Frischgas des Befeuchtermoduls 300 fluchtet mit dem mindestens einen Strömungskanal 404 des Temperierungsmoduls 400 und der mindestens eine Strömungskanal 306 für Abgas des Befeuchtermoduls 300 fluchtet mit dem mindestens einen Strömungskanal 406 für Abgas des Temperierungsmoduls 400, weshalb in 4 die Bezugszeichen beider Module angebracht sind, um deren im Wesentlichen gleichen Aufbau zu veranschaulichen.
Eine Möglichkeit, die Konditionierungsvorrichtung 200 nach 1 weiterzubilden, ist 5 zu entnehmen, die einen Querschnitt durch eines der Befeuchtermodule 300 zeigt, wobei eine Mehrzahl von Strömungskanälen 304 vorliegt, wobei das in diesen strömende Frischgas mittels der im feuchten Materialkern 302 des Befeuchtermoduls 300 gespeicherten Flüssigkeit befeuchtet werden kann. Der trockene Frischgasstrom ist dabei auf eine Mehrzahl von Teilgasströmen aufgeteilt.
Analog zur Gestaltung des Befeuchtermoduls 300 ist dem Querschnitt durch das Temperierungsmodul 400 nach 8 zu entnehmen, dass eine Mehrzahl von Strömungskanälen 404 vorliegt, wobei das in diesen strömende Frischgas mittels der im wärmeleitenden Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 geführten Kühlmittelleitung 416 temperiert, insbesondere gekühlt werden kann. Der Frischgasstrom ist dabei ebenfalls auf eine Mehrzahl von Teilgasströmen aufgeteilt.
Die Strömungskanäle 304, 306, 404, 406 beider Module umfassen vorzugsweise jeweils einen im Materialkern 302, 402 ausgebildeten Zufluss 308, 408 und jeweils einen im Materialkern 302, 402 ausgebildeten Abfluss 310, 410. Zur Aufteilung eines Gasstroms oder zum Zusammenführen eines Gasstroms sieht die Konditionierungsvorrichtung 200 nach 1 beispielsweise eine Verteilereinheit 214 vor, die ausgebildet ist, einen Gasstrom in einzelne Teilgasströme auf die Zuflüsse 308, 408 des betreffenden endständigen Moduls zu verteilen. Zugleich sieht die Konditionierungsvorrichtung 200 eine Sammlereinheit 216 vor, um die aufgeteilten Teilgasströme wieder zusammenzuführen, die aus den Abflüssen 310, 408 des betreffenden endständigen Moduls austreten.
Bei der Konditionierungsvorrichtung 200 nach 2 sind vorliegend mehrere, insbesondere zwei der Verteilereinheiten 214 und mehrere, insbesondere zwei der Sammlereinheiten 216 vorhanden. Dabei sind jeweils mehrere Verteilereinheiten 214 zu einer monolithisch gebildeten Endkappe 218 einerseits und jeweils mehrere Sammlereinheiten 216 zu einer monolithisch gebildeten Endkappe 218 andererseits zusammengefasst. Es ist aber auch möglich, dass jeweils eine Verteilereinheit 214 mit einer Sammlereinheit 216 einstückig, mithin als eine monolithische Endkappe 218 zum Verteilen und zum Sammeln von Gasströmen, gebildet ist.
Einen möglichen Querschnitt durch ein Befeuchtermodul 300 einer Konditionierungsvorrichtung 200 mit solchen Endkappen 218 ist in 6 gezeigt, wobei hier die Strömungskanäle 304, 306 im Materialkern 302 reihenweise ausgebildet sind. Die Reihen der Strömungskanäle 304 für Frischgas sind dabei alternierend zu den Reihen der Strömungskanäle 306 für Abgas angeordnet. Die Verteilung der Teilgasströme erfolgt durch die Endkappen 218.
Eine alternative Anordnung der Strömungskanäle 304, 306 im Materialkern 302 des Befeuchtermoduls 300 ist in 7 gezeigt, wobei dabei die Endkappen 218 entsprechend an eine derartige Verteilung der Gasströme angepasst sind. Hierbei sind die Strömungskanäle 304, 306 auf Kreisen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, die konzentrisch bezüglich der Längsachse des Materialkerns 302 des Befeuchtermoduls 300, insbesondere der gesamten Konditionierungsvorrichtung 200 orientiert sind. Vorliegend weist der Materialkern 302 eine zylindrische Grundform auf, wobei die Kreise der Strömungskanäle 304 für Frischgas in radialer Richtung alternierend zu den Kreisen der Strömungskanäle 306 für Abgas angeordnet sind.
Die Strömungskanäle 304, 306 aller erläuterten Varianten des Befeuchtermoduls 300 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander, wobei sie insbesondere außerdem geradlinig verlaufen, um zu großen Druckverlusten vorzubeugen. Der Materialkern 302 liegt dabei vorzugsweise als einstückiges Teil vor und ist damit monolithisch gebildet.
Um die nötige Abdichtung des Materialkerns 302 des Befeuchtermoduls 300 hervorzurufen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diejenigen Bereiche des Befeuchtermoduls 300 in einem Gehäuse angeordnet sind, die frei von den Endkappen 218 oder frei von einem an das Befeuchtermodul 300 anschließenden Temperierungsmoduls 400 sind. Alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die endkappenfreien und modulfreien Bereiche des Befeuchtermoduls 300 mit einer Beschichtung 312 versehen sind, die ausgestaltet ist, den Materialkern 302 des Befeuchtermoduls 300 flüssigkeitsdicht und vorzugsweise fluiddicht gegenüber der Umgebung abzudichten.
Einen möglichen Querschnitt durch ein Temperierungsmodul 400 einer Konditionierungsvorrichtung 200 mit den Endkappen 218 ist in 9 gezeigt, wobei hier die Strömungskanäle 404, 406 im Materialkern 402 reihenweise ausgebildet sind. Die Reihen der Strömungskanäle 404 für Frischgas sind dabei alternierend zu den Reihen der Strömungskanäle 406 für Abgas angeordnet. Die Verteilung der Teilgasströme erfolgt durch die Endkappen 218. Der Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 weist außerdem einen Anschluss 410 auf, der ausgestaltet ist, ein Kühlmittel der im Materialkern 402 geführten Kühlmittelleitung 416 zuzuführen. Der Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 weist außerdem einen Anschluss 412 auf, der ausgestaltet ist, das Kühlmittel aus der im Materialkern 402 geführten Kühlmittelleitung 416 auszubringen. Es besteht die Möglichkeit, dass mehrere Kühlmittelleitungen 416 im Temperierungsmodul 400 vorhanden sind, die entweder über einzelne eigene Anschlüsse 412, 414 verfügen oder denen eine geeignete Verteilerstruktur zugewiesen ist, um das Kühlmittel auf die einzelnen Kühlmittelleitungen 416 aufzuteilen und ausgangsseitig wieder zusammenzuführen. Beim Beispiel nach 9 ist die mindestens eine Kühlmittelleitung 416 zwischen den Strömungskanälen 404, 406 mäanderförmig geführt. Die Kühlmittelleitung 416 ist dabei abschnittsweise jeweils zwischen einer Reihe aus Strömungskanälen 404 für Frischgas und einer benachbarten Reihe von Strömungskanälen 406 für Abgas angeordnet.
Eine alternative Anordnung der Strömungskanäle 404, 406 im Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 ist in 10 gezeigt, wobei dabei die Endkappen 218 entsprechend an eine derartige Verteilung der Gasströme angepasst sind. Hierbei sind die Strömungskanäle 404, 406 auf Kreisen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet, die konzentrisch bezüglich der Längsachse des Materialkerns 402 des Temperierungsmoduls 400, insbesondere der gesamten Konditionierungsvorrichtung 200 orientiert sind. Vorliegend weist der Materialkern 402 eine zylindrische Grundform auf, wobei die Kreise der Strömungskanäle 404 für Frischgas in radialer Richtung alternierend zu den Kreisen der Strömungskanäle 406 für Abgas angeordnet sind. Auch hier sind ein Zufluss-Anschluss 412 und ein Abfluss-Anschluss 414 vorhanden. Es besteht auch hier die Möglichkeit, dass mehrere Kühlmittelleitungen 416 im Temperierungsmodul 400 vorhanden sind, die entweder über einzelne Anschlüsse 412, 414 verfügen oder denen eine geeignete Verteilerstruktur zugewiesen ist, um das Kühlmittel auf die einzelnen Kühlmittelleitungen 416 aufzuteilen und ausgangsseitig wieder zusammenzuführen. Beim Beispiel nach 10 umfasst die mindestens eine Kühlmittelleitung 416 Leitungsteilkreise 418, die zwischen den Strömungskanälen 404, 406, geführt sind, und die strömungsmechanisch mittels radial bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns 402 des Temperierungsmoduls 400 ausgerichteter Leitungsstufen 420 miteinander verbunden sind. Die Leitungsteilkreise 418 unterscheiden sich in ihrer Länge, wobei insbesondere die radial bezüglich der Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns 402 weiter innen liegenden Leitungsteilkreise 418 kürzer sind als die radial weiter außen liegenden. Die Leitungsteilkreise 418 liegen abschnittsweise zwischen einem Kreis aus Strömungskanälen 404 für Frischgas und einem benachbarten Kreis aus Strömungskanälen 406 für Abgas. Die Leitungsstufen 420 liegen zwischen zwei der Strömungskanäle 404, 406, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind.
Die Strömungskanäle 404, 406 aller erläuterten Varianten des Temperierungsmoduls 400 verlaufen vorzugsweise parallel zueinander, wobei sie insbesondere außerdem geradlinig verlaufen, um zu großen Druckverlusten vorzubeugen. Der Materialkern 402 liegt dabei vorzugsweise als einstückiges Teil vor und ist damit monolithisch gebildet.
In 11 ist abschließend noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Konditionierungsvorrichtung 200 zu erkennen, die an ihrer Sammlereinheit 216 der brennstoffzellenstapelseitigen Endkappe 218 eine Kühleinheit 224 aufweist, um das aus dem Brennstoffzellenstapel 102 tretende Abgas herunterzukühlen, wodurch die sich darin befindliche Flüssigkeit kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit wird dann vom Materialkern 402 der Befeuchtungsmodule 300 aufgesaugt und gezielt gleichmäßig in das trockene Frischgas der Strömungskanäle 304 eingebracht. Vorzugsweise ist der Materialkern 302 der Befeuchtungsmodule 300 wärmeisolierend gebildet, um zu vermeiden, dass ein gekühlter Abgasstrom den Frischgasstrom erwärmt. In 11 ist außerdem die optionale Möglichkeit aufgezeigt, dass dem Materialkern 402 des Temperierungsmoduls 400 eines oder mehrere Elemente 422 zur Ladeluftkühlung zugeordnet sind. Diese können luftgekühlt oder auch thermisch isolierend gestaltet sein.
Insgesamt liegen mit den vorstehend beschriebenen Konditionierungsvorrichtungen 200 und der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung 100 mit einer solchen Konditionierungsvorrichtung 200 Gestaltungen vor, die sich an die in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorhandenen Bauraumsituationen leicht anpassen lassen, und die einen erhöhten Integrationsgrad der Konstituenten der Brennstoffzellenvorrichtung 100 bereitstellen. Zudem zeichnet sich die Konditionierungsvorrichtung 200 durch eine geringe Baugröße, durch einen geringeren Materialaufwand und durch damit verbundene geringere Materialkosten aus. Aufgrund des erfindungsgemäß vorhandenen hydrophilen und/oder hygroskopischen und kapillaraktiven Materialkerns 302, der vorzugsweise zusätzlich einen Kapillareffekt aufweist, ist der Brennstoffzellenstapel 102 auch zusätzlich vor der Einbringung von flüssigem Wasser geschützt.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenvorrichtung
102: Brennstoffzellenstapel
104: Verdichter
106: Kathodenzufuhrleitung
108: Wärmetauscher
110: Kathodenabgasleitung
112: Anodenzufuhrleitung
114: Anodenrezirkulationsleitung
116: Abscheider
118: Flüssigkeitsleitung
200: Konditionierungsvorrichtung
214: Verteilereinheit
216: Sammlereinheit
218: Endkappe
220: Anschluss
222: Kühlrippen
224: Kühleinheit
300: Befeuchtermodul
302: Materialkern (Befeuchtermodul)
304: Strömungskanal (Frischgas / Befeuchtermodul)
306: Strömungskanal (Abgas / Befeuchtermodul)
308: Zufluss (Befeuchtermodul)
310: Abfluss (Befeuchtermodul)
312: Beschichtung (Befeuchtermodul)
400: Temperierungsmodul
402: Materialkern (Temperierungsmodul)
404: Strömungskanal (Frischgas / Temperierungsmodul)
406: Strömungskanal (Abgas / Temperierungsmodul)
408: Zufluss (Temperierungsmodul)
410: Abfluss (Temperierungsmodul)
412: Anschluss (Zufluss)
414: Anschluss (Abfluss)
416: Kühlmittelleitung
418: Leitungsteilkreis
420: Leitungsstufe
422: Elemente zur Ladeluftkühlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013004799 A1 [0004]
DE 102015122144 A1 [0004]
DE 10102358 B1 [0004]
DE 102015222635 A1 [0004]
DE 102016113740 A1 [0005]

Claims

Konditionierungsvorrichtung (200) zur Konditionierung eines Frischgases, umfassend mindestens ein Befeuchtermodul (300) zur Befeuchtung des Frischgases sowie mindestens ein Temperierungsmodul (400) zur Temperierung des Frischgases, welches einen temperierbaren und wärmeleitenden Materialkern (402) umfasst, in welchem mindestens ein Strömungskanal (404) zur Durchströmung und zur Temperierung des trockenen Frischgases oder des im Befeuchtermodul (300) befeuchteten Frischgases ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befeuchtermodul (300) einen hydrophilen und/oder hygroskopischen Materialkern (302) umfasst, in welchem mindestens ein Strömungskanal (304) zur Durchströmung und zur Befeuchtung des trockenen Frischgases membranfrei ausgebildet ist.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Materialkern (302) des Befeuchtermoduls (300) membranfrei mindestens ein weiterer Strömungskanal (306) für feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel (102) ausgebildet ist.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Strömungskanälen (304, 306, 404, 406) vorhanden ist, dass die Strömungskanäle (304, 306; 404, 406) jeweils einen im Materialkern (302, 402) ausgebildeten Zufluss (308, 408) und jeweils einen im Materialkern (302, 402) ausgebildeten Abfluss (310, 410) umfassen, und dass eine den Zuflüssen (308, 408) zugeordnete Verteilereinheit (214) zur Aufteilung eines Gasstroms in einzelne Teilgasströme auf die Zuflüsse (308, 408) vorhanden ist, und/oder dass eine den Abflüssen (310, 410) zugeordnete Sammlereinheit (216) zur Zusammenführung von Teilgasströmen eines aufgeteilten, aus den Abflüssen (310, 410) austretenden Gasstroms vorhanden ist.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befeuchtermodul (300) und das mindestens eine Temperierungsmodul (400) zwischen der Verteilereinheit (214) und der Sammlereinheit (216) in Reihe geschaltet sind.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (304, 306, 404, 406) im Materialkern (302, 402) reihenweise ausgebildet sind, und dass die Reihen der Strömungskanäle (304, 404) für Frischgas alternierend zu den Reihen der Strömungskanäle (306, 406) für Abgas angeordnet sind.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (304, 306, 404, 406) auf Kreisen angeordnet sind, die konzentrisch bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns (302, 402) angeordnet sind, und dass die Kreise der Strömungskanäle (304, 404) für Frischgas in radialer Richtung alternierend zu den Kreisen der Strömungskanäle (306, 406) für Abgas angeordnet sind.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkern (402) des Temperierungsmoduls (400) mindestens einen Anschluss (412, 414) für einen Kühlmittelkreislauf aufweist, und dass in dem Materialkern (402) des Temperierungsmoduls (400) mindestens eine mit dem Anschluss (412, 414) strömungsmechanisch verbundene Kühlmittelleitung (416) geführt ist.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlmittelleitung (416) zwischen den Strömungskanälen (406, 408) mäanderförmig, insbesondere reihenweise mäanderförmig, durch den Materialkern (402) des Temperierungsmoduls (400) geführt ist.
Konditionierungsvorrichtung (200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kühlmittelleitung (416) Leitungsteilkreise (418) umfasst, die zwischen den Strömungskanälen (406, 408), geführt sind, und die strömungsmechanisch mittels radial bezüglich einer Längsachse oder einer Parallelen zur Längsachse des Materialkerns (402) des Temperierungsmoduls (400) ausgerichteter Leitungsstufen (420) miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (102) und einer Konditionierungsvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.