DE102019205815A1

DE102019205815A1 - Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung und Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts

Info

Publication number: DE102019205815A1
Application number: DE102019205815.9A
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 einen Befeuchter (200) für eine einen Brennstoffzellenstapel (102) umfassende Brennstoffzellenvorrichtung (100), mit mindestens einem Frischgasströmungskanal (204) oder einem Frischgasflussfeld für zu befeuchtendes Frischgas und mit mindestens einem Abgasströmungskanal (206) oder einem Abgasflussfeld (252) für feuchtes Abgas. Es ist ein hygroskopischer und/oder hydrophiler Materialkern (202) vorhanden, in welchem der mindestens eine Abgasströmungskanal (206) oder das Abgasflussfeld (252) ausgebildet ist, wobei mindestens ein elektrisches Anschlusspaar (226) vorhanden ist, welches mit seinen Kontakten (228, 230) an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Materialkern (202) elektrisch verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit einem solchen Befeuchter (200) sowie ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts.

Description

Die Erfindung betrifft einen Befeuchter für eine einen Brennstoffzellenstapel umfassende Brennstoffzellenvorrichtung, mit mindestens einem Frischgasströmungskanal oder einem Frischgasflussfeld für zu befeuchtendes Frischgas und mit mindestens einem Abgasströmungskanal oder einem Abgasflussfeld für feuchtes Abgas. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Befeuchter sowie ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts in dem Befeuchter.
Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel nach dem Verdichter positionierte Ladeluftkühler eingesetzt werden. Der Befeuchter und der Ladeluftkühler sind große Komponenten, die zu einer starken Vergrößerung des erforderlichen Bauraums für eine Brennstoffzellenvorrichtung beitragen und die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung einschränken, weil hohe thermische Verluste vorliegen.
In den Druckschriften DE 10 2013 004 799 A1 und DE 10 2015 122 144 A1 sind Befeuchter mit einer plattenförmigen, für Wasserdampf durchlässigen 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. Die DE 10 2016 120 202 A1 beschreibt einen Wasserabscheider eines Brennstoffzellensystems mit einer Einrichtung zur Füllstandsmessung. In der DE 10 2016 203 466 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem beschrieben, welches eine Einrichtung zur Messung des Füllstandes in einem Kühlmittelausgleichsbehälter aufweist. Hierbei wird ein elektrischer Widerstand gemessen, um den Füllstand zu bestimmen. Entsprechendes gilt für die fachfremde Druckschrift US 6,639,517 B1 , welche eine Alarmeinrichtung aufweist, die auf Basis der Messung des elektrischen Widerstands über das Vorhandensein einer Flüssigkeit informiert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Befeuchter sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Befeuchter bereitzustellen, die eine verbesserte Erfassung des Feuchtegehalts und damit ein verbessertes Feuchtemanagement ermöglichen. Es ist außerdem die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts in einem Befeuchter anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einem Befeuchter mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 8 gelöst. Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Befeuchter zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass ein hygroskopischer und/oder hydrophiler, vorzugsweise kapillaraktiver Materialkern vorhanden ist, in welchem der mindestens eine Abgasströmungskanal oder das Abgasflussfeld ausgebildet ist. Zusätzlich ist mindestens ein elektrisches Anschlusspaar vorhanden, welches mit seinen Kontakten an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Materialkern elektrisch verbunden ist.
Der nicht wasserlösliche Materialkern ändert in Abhängigkeit des in ihm eingelagerten Wassers seine elektrische Leitfähigkeit, die über die Kontakte gemessen werden kann. Anhand des Widerstandes, der mit steigendem Feuchtegehalt abnimmt, lässt sich ermitteln, wieviel Wasser eingelagert ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn durch den Abgasströmungskanal oder durch das Abgasflussfeld eine Strömungsrichtung für das Abgas vorgegeben ist, und wenn ein erster Kontakt des Anschlusspaares an einem ersten Punkt der Strömung elektrisch mit dem Materialkern verbunden ist, und wenn ein zweiter Kontakt des Anschlusspaares an einem stromab des ersten Punktes gelegenen zweiten Punkt elektrisch mit dem Materialkern verbunden ist. Damit lässt sich erreichen, dass der Widerstand in Strömungsrichtung des Gases erfasst werden kann.
Der Befeuchter kann beispielsweise als ein Membranbefeuchter ausgestaltet sein, bei welchem eine für Wasserdampf durchlässige Membran vorhanden ist. Das Frischgasflussfeld wird dabei von dem Abgasflussfeld durch die Membran getrennt. Es besteht die Möglichkeit, dass mehrere, mithin stapelweise angeordnete Einheiten aus Frischgasflussfeld, Membran und Abgasflussfeld vorhanden sind. Es ist von Vorteil, wenn das Abgasflussfeld durch den Materialkern selbst gebildet und/oder in den Materialkern eingearbeitet ist. Dieses Abgasflussfeld umfasst dabei ebenfalls einen oder mehrere Abgasströmungskanäle, die seitlich durch Stege begrenzt werden, welche dem Befeuchter zusätzliche Stabilität verleihen. Es besteht zudem die Möglichkeit, dass das Material des hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise kapillaraktiven Materialkerns in ein elektrisch isolierendes Befeuchterflussfeld eingepresst ist.
In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, dass der Materialkern in einen Trägerrahmen eingebracht oder auf eine Trägerplatte aufgebracht ist, die aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gebildet ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass mit den Kontakten eine zuverlässige Widerstandsmessung zur Bewertung des Feuchtegehalts durchgeführt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn die Kontakte des mindestens einen Anschlusspaares in den Trägerrahmen oder in die Trägerplatte eingelassen sind, da so die Kontakte zuverlässig in Position innerhalb des Befeuchters gehalten werden können. Wichtig ist jedoch in diesem Zusammenhang, dass die Kontakte in den Materialkern hineinragen, um so einen elektrischen Widerstand messen zu können.
Es ist von Vorteil, wenn eine Mehrzahl von Anschlusspaaren mit Kontakten vorhanden ist, da hierdurch mehrere Messpunkte zur Messung des elektrischen Widerstandes und damit zur Bewertung und Ermittlung des Feuchtegehalts innerhalb des Befeuchters vorliegen. Zusätzlich lässt sich dabei eine Verteilung des elektrischen Widerstands innerhalb des Abgasflussfeldes ermitteln.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass der Befeuchter membranfrei gebildet ist. Der Befeuchter zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass der mindestens eine Strömungskanal zur Befeuchtung des trockenen Frischgases in dem hydrophilen und/oder hygroskopischen, vorzugsweise zusätzlich kapillaraktiven, Materialkern membranfrei ausgebildet ist. Das elektrische Anschlusspaar ist dabei ebenfalls mit seinen Kontakten an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Materialkern elektrisch verbunden. Damit wird also auf eine teure Membran verzichtet und der ohnehin nur begrenzt vorhandene Bauraum sinnvoller ausgenutzt. Durch den hydrophilen und/oder hygroskopischen 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 Materialkern zurückgehalten und nur gezielt homogen in den Frischgasstrom abgegeben.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in dem Materialkern membranfrei mindestens ein weiterer Strömungskanal für feuchtes Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. Die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit wird aufgrund des hygroskopischen und/oder hydrophilen 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.
Um den Befeuchter fluiddicht gegenüber der Umgebung zu bilden, besteht die Möglichkeit, dass sich der Materialkern in einem Gehäuse befindet, das über geeignete Anschlüsse für die Zuleitung und die Ableitung des Frischgases und des Abgases verfügt. Alternativ oder zusätzlich ist die Möglichkeit geschaffen, dass der Materialkern, insbesondere mit Ausnahme seines Zuflusses und mit Ausnahme seines Abflusses, mit einer Beschichtung versehen ist, die ausgestaltet ist, den Materialkern flüssigkeitsdicht und/oder fluiddicht gegenüber der Umgebung abzudichten. In dieser Ausgestaltung kann der Materialkern und damit der Befeuchter auch gehäusefrei gestaltet sein. Anstelle einer bloßen Beschichtung kann auch eine Imprägnierung vorliegen, die in die Poren oder Zwischenräume des Materialkerns 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 Befeuchters zu erhöhen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn eine Mehrzahl an Strömungskanälen vorhanden ist, wenn die Strömungskanäle jeweils einen im Materialkern ausgebildeten Zufluss und jeweils einen im Materialkern ausgebildeten Abfluss umfassen, und wenn eine den Zuflüssen zugeordnete Verteilereinheit zur Aufteilung eines Gasstroms in einzelne Teilgasströme auf die Zuflüsse vorhanden ist, und/oder wenn eine den Abflüssen zugeordnete Sammlereinheit zur Zusammenführung von Teilgasströmen eines aufgeteilten, aus den Abflüssen austretenden Gasstroms vorhanden ist. Die Zuflüsse und die Abflüsse sind dabei ebenfalls membranfrei ausgestaltet, es könnte jedoch vorgesehen sein, dass die Zuflüsse oder die Abflüsse kanalförmig ausgebildete Einsätze in den Materialkern darstellen. Hierbei kommen beispielsweise kleine Kunststoffhülsen in Betracht, die ein sicheres Anbinden der Verteilereinheit an die Zuflüsse und/oder ein sicheres Anbinden der Sammlereinheit an die Abflüsse bereitstellen. Derartige Hülsenteile können dabei aber auch Bestandteil der Verteilereinheit und/oder der Sammlereinheit sein, die in die Strömungskanäle münden.
Vorzugsweise ist dem Materialkern eine stapelseitige Endkappe zum Verteilen und/oder zum Sammeln von Gasströmen zugeordnet. Außerdem ist dem Materialkern vorzugsweise 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.
Die Materialkerne aller vorstehend erläuterten Befeuchter können dabei im Querschnitt rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein, wobei aber auch eine zylindrische Gestaltung mit kreisförmigem Querschnitt Einsatz finden kann. Die Formgebung des Materialkerns und damit des Befeuchters 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 gemäß einer vorteilhaften Weitergestaltung die Materialkerne der Befeuchter aus Calciumsilikat bestehen oder Calciumsilikat umfassen.
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 vorhanden ist. Alternativ kann der Materialkern auch mit einem Sammelbecken für Flüssigkeit oder einem entsprechenden Abscheider in Kontakt stehen, so dass aufgrund seiner Kapillaraktivität, seiner 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 dem Befeuchter zugeleitet ist. Alternativ kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit auch in den Abgasstrom stromauf des Befeuchters eingebracht werden, um eine stärkere Befeuchtung des Materialkerns zu erwirken. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit stromauf des Befeuchters in das trockene Frischgas, vorzugsweise stromab eines Ladeluftkühlers eingebracht wird. Die Anordnung stromab des Ladeluftkühlers vermeidet zu starke durch diesen hervorgerufene Kondensationseffekte und eine damit einhergehende Flutung.
Die für die erfindungsgemäßen Befeuchter beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung, die mit einem entsprechenden Befeuchter ausgestattet ist.
Das Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts in einem der vorstehend erläuterten Befeuchter umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

- Messen des elektrischen Widerstands zwischen zwei Kontakten eines Anschlusspaares, die an zwei unterschiedlichen Stellen mit einem mindestens einen Abgasströmungskanal oder ein Abgasflussfeld ausbildenden Materialkern elektrisch verbunden sind, sowie
- Ermitteln des Feuchtegehalts anhand des gemessenen Widerstands und/oder Prüfen, ob der elektrische Widerstand innerhalb eines vordefinierten Widerstandgrenzbereichs liegt.

Mit dem vorstehenden Verfahren ist der Vorteil verbunden, dass die Menge der Flüssigkeit innerhalb des Speicherbefeuchters, insbesondere innerhalb des Materialkerns anhand des Widerstandes ermittelt werden kann und in Abhängigkeit eines Prüfungsergebnisses Maßnahmen zur Einstellung, beispielsweise zur zusätzlichen Befeuchtung oder zum Trocknen des Befeuchters vorgenommen werden können.
Die Erhöhung des Feuchtegehalts lässt sich beispielsweise durch ein Einbringen von Flüssigkeit in den Befeuchter, insbesondere an dessen Materialkern realisieren. Alternativ kann auch eine Flüssigkeit in den Abgasstrom stromauf des Befeuchters eingebracht werden oder auch in den Frischgasstrom, ebenfalls stromauf des Befeuchters.
Um den Feuchtegehalt innerhalb des Befeuchters zu reduzieren ist die Möglichkeit eröffnet, dass der Frischgasmassestrom durch einen Betrieb eines Verdichters mit erhöhter Leistung derart erhöht wird, dass ein größerer Anteil an Flüssigwasser vom Frischgasstrom aus dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen wird. Alternativ kann zur Reduzierung des Feuchtegehalts auch mindestens ein Befeuchterbypass vorhanden sein, der über entsprechende Stellglieder, insbesondere Überdruckregelventile verfügt. Hierbei kann beispielsweise entlang des Frischgasstranges ein Befeuchterbypass vorhanden sein, so dass trockenes Frischgas unter Umgehung des Befeuchters dem Brennstoffzellenstapel unmittelbar zugeführt wird, ohne dass dieses im Befeuchter mit Flüssigkeit angereichert wird. Alternativ oder ergänzend kann auch die Wasserzufuhr in der feuchten Abluft des Brennstoffzellenstapels unterbunden oder reduziert werden, in dem ein Befeuchterbypass in den Abgasstrang zur Umgehung des Befeuchters eingebracht wird. Auch hier ist ein geeignetes Stellglied, insbesondere ein Druckregelventil vorhanden, um den durch den Befeuchter strömenden und den durch den Befeuchterbypass strömenden Anteil des Abgases einzustellen. Zudem ist die Möglichkeit eröffnet, durch eine Bypassleitung, die die Kathodenzufuhrleitung mit der Abgasleitung verbindet, einzusetzen.
Mit allen den vorangehend erwähnten Maßnahmen lässt sich ein geeignetes Feuchtemanagement oder Wassermanagement realisieren, wobei es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen hat, wenn das Verfahren um die folgenden Schritte ergänzt wird:

- Prüfen, ob der elektrische Widerstand innerhalb des vordefinierten Widerstandgrenzbereichs liegt, und
- Anpassen des Feuchtegehalts so lange, bis der zwischen den Kontakten gemessene elektrische Widerstand wieder innerhalb des Widerstandgrenzbereichs liegt.

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 einen ersten Befeuchter, der mit einer planen das Frischgasflussfeld vom Abgasflussfeld trennenden Membran ausgestattet ist, welchem der feuchte Abgasstrom im Bild von unten zugeführt wird (Blockpfeile),
2 schematisch einen weiteren membranfrei gebildeten Befeuchter, welchem der trockene Frischgaszustrom im Bild von links unten zugeführt wird (linker unter Pfeil), aus welchem der befeuchtete Frischgasstrom nach rechts unten austritt (rechter unterer Pfeil), bei welchem außerdem das feuchte Abgas im Bild von links oben zugeführt wird (linker oberer Blockpfeil), und aus welchem das getrocknete Abgas nach rechts austritt (rechter oberer Blockpfeil),
3 schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem der Befeuchter nach 1 oder 2, und
4 schematisch eine weitere Brennstoffzellenvorrichtung mit einem der Befeuchter nach 1 oder 2 sowie mit zwei Befeuchterbypässen zur Umgehung des Befeuchters.

In den 3 und 4 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 100 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 200 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 102 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst.
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 einem dem Verdichter 104 nachgelagerten nicht näher gezeigten Ladeluftkühler sowie in dem Befeuchter 200. Eine Sättigung der Membranen der Brennstoffzellen steigert dabei deren Effizienz, da dies den Protonentransport begünstigt.
Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 102 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 dem Befeuchter 200 zuzuführen. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit vom Abscheider 116 auch in eine Kathodenzufuhrleitung 106 stromauf des Befeuchters 200 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in den Befeuchter 200 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Befeuchter 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 den Befeuchter 200 unmittelbar, wozu dieser vorzugsweise einen Anschluss 220 aufweist, über den die Flüssigkeit in den Befeuchter 200 gelangen kann.
Um den Massenstrom des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel 102 regulieren zu können ist ein Bypass 124 vorhanden, welcher ein Stellglied, insbesondere ein Druckregelventil aufweist. Dieser Bypass 124 verbindet die Kathodenzufuhrleitung 106 mit der Kathodenabgasleitung 110. Die Brennstoffzellenvorrichtung 100 nach 3 unterscheidet sich von der Brennstoffzellenvorrichtung 100 nach 4 lediglich durch die in 4 gezeigten Befeuchterbypässe 120, 122. Dabei ist es möglich, dass auch lediglich einer der Befeuchterbypässe 120, 122 vorhanden ist. Über den Befeuchterbypass 120, in welchem ein Druckregelventil eingebunden ist, lässt sich der Befeuchter 200 umgehen, so dass eine vom Verdichter 104 zugeführte Zuluft über den Befeuchterbypass 120 in den Brennstoffzellenstapel 102 unmittelbar gelangt, ohne zuvor im Befeuchter 200 befeuchtet zu werden. Zudem ist im Abgasstrang der Befeuchterbypass 122 vorhanden, der ebenfalls über ein entsprechendes Druckregelventil verfügt. Über den Befeuchterbypass 122 gelangt das Abgas ohne den Befeuchter 200 zu durchlaufen aus der Brennstoffzellenvorrichtung 100. Damit kann auch das Abgas nicht dazu genutzt werden, um die im Abgas enthaltene Flüssigkeit dem Befeuchter 200 zuzuführen. Auch hierdurch lässt sich eine Reduzierung des Feuchtegehalts realisieren.
Ein möglicher Aufbau des Befeuchters 200 lässt sich 1 entnehmen. Dieser Befeuchter 200 ist als ein Membranbefeuchter ausgestaltet, wobei eine parallel zur Papierebene angeordnete, für wasserdampfdurchlässige Membran 254 vorhanden ist, die ein Frischgasflussfeld von dem durch einen Materialkern 202 gebildeten Abgasflussfelds 252 trennt. Dieser Materialkern ist aus einen hygroskopischen und/oder hydrophilen, vorzugsweise kapillaraktiven Material gebildet, wobei das Abgasflussfeld 252 in den Materialkern 202 eingearbeitet ist. Um einen elektrischen Widerstand des Materialkerns 202 messen zu können, ist mindestens ein elektrisches Anschlusspaar 226 vorhanden, welches mit seinen Kontakten 228, 230 an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Materialkern 202 elektrisch verbunden ist. Vorliegend sind drei Anschlusspaare 226 gezeigt, die gleichmäßig an dem Materialkern 202 verteilt angeordnet sind. Die Kontakte 228, 230 jedes Anschlusspaares 226 ist mit einer Messeinrichtung 260 elektrisch verbunden, wozu der Übersicht halber lediglich eines der Anschlusspaare 226 mit strichliert illustrierten Leitungen versehen ist. Mithilfe dieser Messeinrichtung 260 kann der zwischen den Kontakten 228, 230 herrschende elektrische Widerstand gemessen werden, der in Abhängigkeit des Feuchtegehalts des Materialkerns 252 absinkt oder steigt. Der Materialkern 202 selbst ist in einen Trägerrahmen 256 eingebracht, welcher aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gebildet ist. Zur sicheren Fixierung der Kontakte 228, 230 sind diese in den Trägerrahmen 256 eingelassen oder eingearbeitet. Es ist zu erkennen, dass durch das Abgasflussfeld 252, insbesondere durch dessen Abgasströmungskanäle 206 eine Strömungsrichtung für das Abgas vorgegeben ist, wobei ein erster Kontakt 228 des Anschlusspaares 226 an einem ersten Punkt der Strömung elektrisch mit dem Materialkern 202 verbunden ist, und wobei ein zweiter Kontakt 230 des Anschlusspaares 226 an einem stromab des ersten Punktes gelegenen zweiten Punkt elektrisch mit dem Materialkern 202 verbunden ist.
Eine weitere Ausgestaltung eines Befeuchters ist 2 zu entnehmen. Dieser ist wie der Befeuchter nach 1 mit einem Materialkern 202 gestaltet, der aus einem hydrophilen und/oder hygroskopischen Material besteht, welches vorzugsweise gleichzeitig kapillaraktiv ist, also einen Kapillareffekt zum Aufsaugen von Flüssigkeit ausnutzen kann. Der Materialkern 202 kann beispielsweise die über den Anschluss 220 eingebrachte Flüssigkeit aufsaugen und gezielt, vorzugsweise sehr homogen und gleichmäßig in seinen Frischgasströmungskanal 204 für trockenes Frischgas einbringen. Der Befeuchter 200 zeichnet sich dabei dadurch aus, dass der mindestens eine Frischgasströmungskanal 204 zur Befeuchtung des trockenen Frischgases in dem hygroskopischen und/oder hydrophilen Materialkern 202 membranfrei ausgebildet ist und daher auf eine Hohlfasermembran komplett verzichtet. Dadurch lässt sich der Befeuchter 200 besonders kostengünstig herstellen und an beliebige Bauraumgegebenheiten anpassen. Der mindestens eine oder die mehreren Strömungskanäle 204 können dabei also in den Materialkern 202 eingearbeitet sein.
Auch hier sind mehrere Anschlusspaare 226 vorhanden, um den elektrischen Widerstand des Materialkerns 202 mit Hilfe der Messeinrichtung 260 zu erfassen. Der Befeuchter 200 weist neben den mehreren Frischgasströmungskanälen 204 zudem mehrere Abgasströmungskanäle 206 auf, durch welche ebenfalls eine Strömungsrichtung für das Abgas vorgegeben ist. Auch hier ist - analog zum Befeuchter 200 nach 1 - jeweils ein erster Kontakt 228 des Anschlusspaares 226 an einem ersten Punkt der Strömung elektrisch mit dem Materialkern 202 verbunden, wobei ein zweiter Kontakt 230 des Anschlusspaares 226 an einem stromab des ersten Punktes gelegenen zweiten Punkt elektrisch mit dem Materialkern 202 verbunden ist.
Die Strömungskanäle 204, 206 umfassen vorzugsweise jeweils einen im Materialkern 202 ausgebildeten Zufluss 208 und jeweils einen im Materialkern 202 ausgebildeten Abfluss 210. Zur Aufteilung eines Gasstroms oder zum Zusammenführen eines Gasstroms sieht der Befeuchter beispielsweise eine Verteilereinheit 214 vor, die ausgebildet ist, einen Gasstrom in einzelne Teilgasströme auf die Zuflüsse 208 zu verteilen. Zugleich sieht der Befeuchter 200 eine Sammlereinheit 216 vor, um die aufgeteilten Teilgasströme wieder zusammenzuführen, die aus den Abflüssen 210 austreten. Der vorliegende Befeuchter 200 weist mehrere, insbesondere zwei der Verteilereinheiten 214 und mehrere, insbesondere zwei der Sammlereinheiten 216 auf. Dabei ist jeweils eine Verteilereinheit 214 mit einer weiteren Verteilereinheit 214 einstückig, mithin als eine monolithische Endkappe 218 zum Verteilen von Gasströmen, gebildet. Zudem ist jeweils eine Sammlereinheit 216 mit einer weiteren Sammlereinheit 216 einstückig, mithin als eine weitere monolithische Endkappe 218 zum Sammeln von Gasströmen gebildet. Es besteht auch die Möglichkeit eine Endkappe 218 aus mindestens einer Verteilereinheit 214 und mindestens einer Sammlereinheit 216 einstückig zu bilden. Wenn die Verteilereinheit 214, die Sammlereinheit 216 und/oder die Endkappen 218 aus einem elektrisch nicht-leitenden Material gebildet sind, so besteht die Möglichkeit, dass die Kontakte 228, 230 in dieses nicht-leitende Material eingebettet sind. Sie werden dadurch in ihrer Lage fixiert, wobei sie in das Material des Materialkerns 202 ragen, um dort einen elektrischen Widerstand messen zu können.
Um die nötige Abdichtung des Materialkerns 202 des Befeuchters 200 hervorzurufen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diejenigen Bereiche des Befeuchters 200 in einem Gehäuse angeordnet sind, die frei von den Endkappen 218 sind. Alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die endkappenfreien Bereiche des Befeuchters 200 mit einer Beschichtung 212 versehen sind, die ausgestaltet ist, den Materialkern 202 flüssigkeitsdicht und vorzugsweise fluiddicht gegenüber der Umgebung abzudichten.
Der Materialkern 202 aller vorstehend beschriebenen Befeuchter 200 kann aus Calciumsilikat gebildet sein oder ein solches umfassen. In diesem Zusammenhang ist zudem die Möglichkeit eröffnet, dass der Materialkern 202 zusätzlich aus einem wärmeisolierenden Material besteht oder ein solches umfasst. So sorgt der Materialkern 202 dafür, dass ein gekühlter Abgasstrom den Frischgasstrom nicht erwärmt. Aufgrund des erfindungsgemäß vorhandenen hygroskopischen und/oder hydrophilen Materialkerns 202, der vorzugsweise zusätzlich einen Kapillareffekt aufweist, ist der Brennstoffzellenstapel 102 auch zusätzlich vor der Einbringung von flüssigem Wasser geschützt.
Insgesamt liegen mit den vorstehend beschriebenen Befeuchtern 200 und der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung 100 mit einem solchen Befeuchter 200 Gestaltungen vor, die sich an die in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorhandenen Bauraumsituationen leicht anpassen lassen. Zudem zeichnet sich der Befeuchter 200 durch eine einfache Möglichkeit aus, den Feuchtegehalt zu erfassen und gegebenenfalls Maßnahmen zur Einstellung desselben zu ergreifen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenvorrichtung
102: Brennstoffzellenstapel
104: Verdichter
106: Kathodenzufuhrleitung
108: Wärmetauscher
110: Kathodenabgasleitung
112: Anodenzufuhrleitung
114: Anodenrezirkulationsleitung
116: Abscheider
118: Flüssigkeitsleitung
120: Befeuchterbypass (Frischgas/Zuluft)
122: Befeuchterbypass (Abgas/Abluft)
124: Bypass
200: Befeuchter
202: Materialkern
204: Frischgasströmungskanal
206: Abgasströmungskanal
208: Zufluss
210: Abfluss
212: Beschichtung
214: Verteilereinheit
216: Sammlereinheit
218: Endkappe
220: Anschluss
226: Anschlusspaar
228: erster Kontakt
230: zweiter Kontakt
252: Abgasflussfeld
254: Membran
256: Trägerrahmen
260: Messeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013004799 A1 [0003]
DE 102015122144 A1 [0003]
DE 10102358 B1 [0003]
DE 102015222635 A1 [0003]
DE 102016120202 A1 [0003]
DE 102016203466 A1 [0003]
US 6639517 B1 [0003]

Claims

Befeuchter (200) für eine einen Brennstoffzellenstapel (102) umfassende Brennstoffzellenvorrichtung (100), mit mindestens einem Frischgasströmungskanal (204) oder einem Frischgasflussfeld für zu befeuchtendes Frischgas und mit mindestens einem Abgasströmungskanal (206) oder einem Abgasflussfeld (252) für feuchtes Abgas, dadurch gekennzeichnet, dass ein hygroskopischer und/oder hydrophiler Materialkern (202) vorhanden ist, in welchem der mindestens eine Abgasströmungskanal (206) oder das Abgasflussfeld (252) ausgebildet ist, und dass mindestens ein elektrisches Anschlusspaar (226) vorhanden ist, welches mit seinen Kontakten (228, 230) an zwei unterschiedlichen Stellen mit dem Materialkern (202) elektrisch verbunden ist.
Befeuchter (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abgasströmungskanal (206) oder durch das Abgasflussfeld (252) eine Strömungsrichtung für das Abgas vorgegeben ist, und dass ein erster Kontakt (228) des Anschlusspaares (226) an einem ersten Punkt der Strömung elektrisch mit dem Materialkern (202) verbunden ist, und dass ein zweiter Kontakt (230) des Anschlusspaares (226) an einem stromab des ersten Punktes gelegenen zweiten Punkt elektrisch mit dem Materialkern (202) verbunden ist.
Befeuchter (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine für Wasserdampf durchlässige Membran (254) vorhanden ist, die das Frischgasflussfeld von dem durch den Materialkern (202) gebildeten Abgasflussfeld (252) trennt.
Befeuchter (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialkern (202) in einen Trägerrahmen (256) eingebracht oder auf eine Trägerplatte aufgebracht ist, die aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material gebildet ist.
Befeuchter (200) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (228, 230) des mindestens einen Anschlusspaares (226) in den Trägerrahmen (256) oder in die Trägerplatte eingelassen sind.
Befeuchter (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Anschlusspaaren (226) vorhanden ist.
Befeuchter (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung (260) vorhanden ist, die ausgestaltet ist, den elektrischen Widerstand zwischen den Kontakten (228, 230) des mindestens einen Anschlusspaares (226) zu messen.
Brennstoffzellenvorrichtung (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (102) und einem Befeuchter (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Ermittlung und/oder Regulierung des Feuchtegehalts in einem Befeuchter (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte: - Messen des elektrischen Widerstands zwischen zwei Kontakten (228, 230) eines Anschlusspaares (226), die an zwei unterschiedlichen Stellen mit einem mindestens einen Abgasströmungskanal (206) oder ein Abgasflussfeld (252) ausbildenden Materialkern (202) elektrisch verbunden sind, sowie - Ermitteln des Feuchtegehalts anhand des gemessenen Widerstands und/oder Prüfen, ob der elektrische Widerstand innerhalb eines vordefinierten Widerstandgrenzbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Schritte: - Prüfen, ob der elektrische Widerstand innerhalb des vordefinierten Widerstandgrenzbereichs liegt, und - Anpassen des Feuchtegehalts solange, bis der zwischen den Kontakten (228, 230) gemessene elektrische Widerstand wieder innerhalb des Widerstandgrenzbereichs liegt.