DE102019211583A1 - Process for manufacturing a humidifier and humidifier - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (2), bei dem in einem generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul (12) gedruckt wird, auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls (12) eine Membran (11) gelegt wird und in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul (12) und der Membran (11) ein zweites Befeuchtermodul (14) weitergedruckt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter (2).The invention relates to a method for manufacturing a humidifier (2) in which a first humidifier module (12) is printed in a generative manufacturing step, a membrane (11) is placed on the surface of the first humidifier module (12) and in a further generative manufacturing step a second humidifier module (14) is further printed on the first humidifier module (12) and the membrane (11). The invention also relates to a humidifier (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters, bei dem in einem generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul gedruckt wird, auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls eine Membran gelegt wird und in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran ein zweites Befeuchtermodul weitergedruckt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Befeuchter.The invention relates to a method for producing a humidifier, in which a first humidifier module is printed in a generative manufacturing step, a membrane is placed on the surface of the first humidifier module and in a further generative manufacturing step a second humidifier module is further printed on the first humidifier module and the membrane . The invention also relates to a humidifier.

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.Humidifiers are generally used in order to be able to effect a transfer of the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with different moisture contents. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode spaces of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is suitable for use in the fuel cell stacks the membrane electrode assembly is insufficient. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past a membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is coated with the humid exhaust air from the fuel cell stack. For conditioning the air to be supplied to the cathode spaces of the fuel cell stack, its temperature control is also required, for which purpose charge air coolers positioned after the compressor are usually used. The humidifier and the charge air cooler are large components that contribute to a great increase in the required installation space for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because there are high thermal losses.

Zu beachten ist weiterhin, dass aus dem bisherigen Stand der Technik bekannte Befeuchter aufwändig zu montieren sind, da diese modular aufgebaut werden und die einzelnen gefertigten Module gegeneinander abgedichtet und verspannt werden müssen, so dass der Materialaufwand für die Dichtungen und das Spannsystem hoch ist und Ungenauigkeiten bei der Montage zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Fluide in dem Befeuchter führen können.It should also be noted that humidifiers known from the previous state of the art are complex to assemble, since they have a modular structure and the individually manufactured modules must be sealed and braced against each other, so that the material expenditure for the seals and the clamping system is high and inaccuracies can lead to an uneven distribution of the fluids in the humidifier during assembly.

Die DE 10 2016 224 478 A1 zeigt einen Membranbefeuchter für ein Brennstoffzellensystem, der mehrere Strömungsplatten umfasst, zwischen denen jeweils eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet ist. Die Strömungsplatten weisen jeweils Strömungskanäle auf, durch die Gase an die feuchtigkeitsdurchlässige Membran heranführbar sind, wobei eine umlaufende Dichtung auf einem umlaufenden Rand der Strömungsplatte angeordnet ist.The DE 10 2016 224 478 A1 shows a membrane humidifier for a fuel cell system, which comprises a plurality of flow plates, between each of which a moisture-permeable membrane is arranged. The flow plates each have flow channels through which gases can be brought to the moisture-permeable membrane, a circumferential seal being arranged on a circumferential edge of the flow plate.

Die US 2016/0093898 A1 zeigt eine generativ gefertigte Bipolarplatte für eine Brennstoffezelle, die nach ihrer generativen Fertigung poliert und mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird. Diese Bipolarplatte kann nach ihrer abschließenden Fertigung in einer Brennstoffzelle verbaut werden.The US 2016/0093898 A1 shows a generatively manufactured bipolar plate for a fuel cell, which after its generative manufacture is polished and provided with a surface coating. This bipolar plate can be installed in a fuel cell after its final production.

Die DE 10 2014 009 329 A1 beschreibt eine Befeuchtungseinrichtung, die eine Stapeleinheit mit mehreren wasserdampfdurchlässige Membranen aufweist, welche übereinanderliegend und beabstandet zueinander angeordnet sind. Zwei unmittelbar benachbarte Membranen sind an einem ersten Randbereich strömungsdicht verbunden und an einem zweiten winkelversetzt angeordneten Randbereich zwischen übereinander liegenden Dichtleisten angeordnet, zwischen denen Strömungsöffnungen gebildet sind.The DE 10 2014 009 329 A1 describes a humidifying device which has a stacking unit with a plurality of membranes which are permeable to water vapor and which are arranged one above the other and spaced apart from one another. Two directly adjacent membranes are connected in a flow-tight manner at a first edge area and are arranged in a second edge area arranged at an angle between sealing strips lying one above the other, between which flow openings are formed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Fertigung eines Befeuchters vereinfacht werden kann und einen verbesserten Befeuchter bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to specify a method with which the manufacture of a humidifier can be simplified and to provide an improved humidifier.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1 and by a humidifier with the features of claim 7. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt einen generativen Fertigungsschritt, um mittels eines 3D-Druckers ein erstes Befeuchtermodul zu drucken, wobei nach dessen Fertigstellung der 3D-Drucker pausieren kann, um die Membran auf dem gedruckten ersten Befeuchtermodul zu platzieren, um sodann erneut den 3D-Drucker zu nutzen, um das zweite Befeuchtermodul zu fertigen. Durch diese Art der Fertigung können sämtliche Dichtungen entfallen, die bei bisher bekannten Befeuchter benötigt werden. Außerdem sind das erste Befeuchtermodul und das zweite Befeuchtermodul bereits miteinander verbunden, so dass ebenfalls keine weitergehende Montage erforderlich ist, und das sonst benötigte Spannsystem entfallen kann.The method according to the invention uses a generative manufacturing step to print a first humidifier module by means of a 3D printer, after which the 3D printer can pause to place the membrane on the printed first humidifier module in order to then switch to the 3D printer again to manufacture the second humidifier module. This type of production means that all seals that are required in previously known humidifiers can be dispensed with. In addition, the first humidifier module and the second humidifier module are already connected to one another, so that no further assembly is required either, and the otherwise required clamping system can be omitted.

Vorteilhaft ist dabei, wenn auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls eine Aufnahme ausgebildet und in diese Aufnahme die Membran eingelegt wird, wobei die Aufnahme zum Ausgleich der Membrandicke genutzt ist. Alternativ ist es dabei auch möglich, die Membran auf die plane Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls zu platzieren und die Aufnahme in dem zweiten Befeuchtermodul auszubilden, wobei die erstgenannte Alternative bezüglich der präzisen Positionierung der Membran bevorzugt ist.It is advantageous if a receptacle is formed on the surface of the first humidifier module and the membrane is inserted into this receptacle, the receptacle being used to compensate for the membrane thickness. Alternatively, it is also possible to place the membrane on the flat surface of the first humidifier module and to form the receptacle in the second humidifier module, the first-mentioned alternative with regard to the precise positioning of the membrane is preferred.

Die Leistungsfähigkeit des Befeuchters kann in einfacher Weise skaliert werden, indem mehrere Membranen mit zugeordneten Befeuchtungsmodule genutzt werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit bietet, dass die Verfahrensschritte iterativ bis zur vorgegebenen Größe des Befeuchters mit der gewünschten Anzahl der Befeuchtermodule wiederholt werden. Auch hier ist darauf hinzuweisen, dass eine nachträgliche Montage nicht erforderlich ist und unverändert auf Dichtungen oder ein Spannsystem verzichtet werden kann.The performance of the humidifier can be easily scaled by using multiple membranes with associated humidification modules, the method according to the invention offering the possibility of the method steps being repeated iteratively up to the specified size of the humidifier with the desired number of humidifier modules. Here, too, it should be pointed out that subsequent assembly is not required and that there is no need for seals or a clamping system.

Zweckmäßigerweise wird das erste Befeuchtermodul und/oder das zweite Befeuchtermodul als Flussfeldrahmen mit einem zugewiesenen Flussfeld gestaltet, in dem Strömungskanäle durch Stege voneinander getrennt sind. Die Stege werden dabei zum Abstützen der Membran genutzt und für die Führung der strömenden Fluide eingesetzt, wobei aufgrund der Art des eingesetzten Fertigungsverfahren problemlos auch unterschiedlichste Formen und Verläufe der Stege und damit der Strömungskanäle oder der Zuleitungen und Ableitungen realisiert werden können. Es sind also Aussackungen möglich, in denen sich eine Flüssigkeit ansammeln kann, oder beispielsweise Verengungen zur Modifikation der Strömungsgeschwindigkeit.The first humidifier module and / or the second humidifier module is expediently designed as a flow field frame with an assigned flow field in which flow channels are separated from one another by webs. The webs are used to support the membrane and are used to guide the flowing fluids, whereby, due to the nature of the manufacturing process used, a wide variety of shapes and courses of the webs and thus the flow channels or the supply lines and drains can be realized without any problems. So there are bulges in which a liquid can collect, or for example constrictions to modify the flow rate.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass in einem generativen Fertigungsschritt die Schlauchanschlüsse an mindestens einer Endplatten oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden, also der Befeuchter insgesamt als eine Einheit in dem generativen Fertigungsprozess auf einem 3D-Drucker geschaffen wird, wobei zweckmäßigerweise aufgrund des gewünschten Einsatzgebietes ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet wird. Nur beispielhaft für einen derartigen temperaturbeständigen Kunststoff wird PEEK genannt.It is also advantageous that in an additive manufacturing step the hose connections are formed on at least one end plate or at the edge on at least one side plate, i.e. the humidifier is created as a whole as a unit in the additive manufacturing process on a 3D printer, with a temperature-resistant plastic is used. PEEK is only mentioned as an example of such a temperature-resistant plastic.

Der so geschaffene Befeuchter mit einer Mehrzahl jeweils zwischen zwei Befeuchtermodulen angeordneten Membranen ist frei von Dichtungen und frei von einem Spannsystem, wobei auch die Bauform in weiten Grenzen frei gewählt werden kann, also eine bessere Anpassung an die Einbaubedingungen gegeben ist, wenn dieser Befeuchter beispielsweise als Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.The humidifier created in this way with a plurality of membranes arranged between two humidifier modules is free of seals and free of a clamping system, whereby the design can also be freely selected within wide limits, i.e. better adaptation to the installation conditions is given if this humidifier is, for example, as Part of a fuel cell device is used in a motor vehicle.

Vorgesehen ist dabei, dass die Membran eine Perforierung aufweist, was für eine einfache Platzierung der Membran auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls ausgenutzt werden kann wenn für das Zusammenwirken mit der Perforierung der Membran die in dem generativen Fertigungsschritt gefertigten ersten Befeuchtermodule ihren Aufnahmen für die Membran zugeordnete Stifte aufweisen und/oder die zweiten Befeuchtermodule in dem generativen Fertigungsschritt durch die Perforierung gedruckte Zapfen aufweisen. Dies sichert zusätzlich die Position der Membran.Provision is made here for the membrane to have a perforation, which can be used for simple placement of the membrane on the surface of the first humidifier module if the first humidifier modules manufactured in the generative manufacturing step are assigned their receptacles for the membrane for interaction with the perforation of the membrane Have pins and / or the second humidifier modules in the generative manufacturing step have pegs printed through the perforation. This also secures the position of the membrane.

Zu beachten ist weiterhin, dass die Befeuchtermodule als Flussfeldrahmen mit zugewiesenen Flussfeldern gestaltet sind, in denen Strömungskanäle durch Stege getrennt sind und die Kontur und/oder der Verlauf der Strömungskanäle, der diese trennenden Stege und/oder die Strömungskanäle speisende Zuleitungen aufgrund ihrer Lage und Funktion bestimmt ist, indem eine Verengung der Kontur zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Biegung der Strömgeschwindigkeit zur Beeinflussung der Abscheidung und/oder Speicherung von Wasser genutzt ist.It should also be noted that the humidifier modules are designed as flow field frames with assigned flow fields, in which flow channels are separated by webs and the contour and / or the course of the flow channels, the feed lines that separate these webs and / or feed the flow channels due to their location and function is determined in that a narrowing of the contour is used to influence the flow velocity and a bend in the flow velocity is used to influence the separation and / or storage of water.

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.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. There are thus also embodiments to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem darin genutzten Befeuchter,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen aus mehreren Membranen mit zugeordneten Befeuchtermodulen gebildeten Befeuchter,
  • 3 ein schematische Schnittdarstellung eines generativ gefertigten Befeuchtermodul mit oberhalb der Aufnahme positionierter Membran,
  • 3A das erste Befeuchtermodul mit zugeordneter Membran nach dem Verfahrensschritte des Platzierens der Membran in der Aufnahme in einer der 3 entsprechende Darstellung,
  • 4 eine der 2 entsprechende Darstellung mit perforierten Membranen,
  • 5 eine der 3 entsprechende Darstellung mit der Positionierung der perforierten Membran auf Stifte in der Aufnahme des ersten Befeuchtermoduls,
  • 5A eine der 3 entsprechende Darstellung der Ausführungsform gemäß 5,
  • 6 eine Draufsicht auf die Endplatte eines Befeuchters, die die Schlauchanschlüsse für den Einlass des trockenen Frischgases und den Einlass des feuchten Abgases und den Auslass für das feuchte Abgas und den Auslass für das befeuchtete Frischgas trägt,
  • 7 eine der 6 entsprechende Darstellung mit seitlichen Schlauchanschlüssen,
  • 8 eine transparente Darstellung des ersten Befeuchtermoduls, der Membran und des zweiten Befeuchtermoduls zur Veranschaulichung der Lage und Kontur der Membran, des Verlaufes der Strömungskanäle für das Frischgas und das Abgas und der Header für die Zu- und Ableitung des Frischgases und des Abgases,
  • 9 eine 2 entsprechende Darstellung zur Erläuterung der Lage der Strömungskanäle, und
  • 10 eine isolierte Darstellung eines Befeuchtermoduls mit gedruckten Tunnel für die Strömungsverbindung der Strömungskanäle mit den Headern.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with a humidifier used therein,
  • 2 a schematic sectional view through a humidifier formed from several membranes with assigned humidifier modules,
  • 3 a schematic sectional view of a generatively manufactured humidifier module with a membrane positioned above the receptacle,
  • 3A the first humidifier module with an associated membrane after the method steps of placing the membrane in the receptacle in one of the 3 corresponding representation,
  • 4th one of the 2 corresponding representation with perforated membranes,
  • 5 one of the 3 corresponding representation with the positioning of the perforated membrane on pins in the receptacle of the first humidifier module,
  • 5A one of the 3 corresponding representation of the embodiment according to 5 ,
  • 6 a plan view of the end plate of a humidifier, which carries the hose connections for the inlet of the dry fresh gas and the inlet of the moist exhaust gas and the outlet for the moist exhaust gas and the outlet for the humidified fresh gas,
  • 7th one of the 6 corresponding illustration with lateral hose connections,
  • 8th a transparent representation of the first humidifier module, the membrane and the second humidifier module to illustrate the position and contour of the membrane, the course of the flow channels for the fresh gas and the exhaust gas and the headers for the supply and discharge of the fresh gas and the exhaust gas,
  • 9 a 2 corresponding illustration to explain the position of the flow channels, and
  • 10 an isolated representation of a humidifier module with printed tunnels for the flow connection of the flow channels with the headers.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 2 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 4 umfasst.In the 1 Fig. 3 is a schematic of a fuel cell device 1 shown, this being a humidifier 2 for regulating the humidity of a plurality of in a fuel cell stack 3 combined fuel cells 4th includes.

Jede der Brennstoffzellen 4 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 4th comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

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.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their 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 , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

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.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) 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 release). While 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 (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 5 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter nachgelagerten nicht näher gezeigten Ladeluftkühler sowie in dem Befeuchter 2, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 4 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Because in the fuel cell stack 3 several fuel cells 2 are summarized, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that through a compressor 5 a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its setting with regard to that in the fuel cell stack 3 desired temperature and humidity, takes place in a charge air cooler, not shown in detail, downstream of the compressor, and in the humidifier 2 , the moisture saturation of the membranes of the fuel cells 4th to increase their efficiency, as this favors the transport of protons.

Anodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel 3 mit einer Anodenzufuhrleitung fluidmechanisch verbunden, so dass in dem schematisch dargestellten Brennstoffspeicher 6 enthaltener Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt werden kann. Ein Ventil oder auch eine Saugstrahlpumpe können dabei geeignet sein, um den gewünschten Partialdruck an frischem Brennstoff innerhalb des Anodenkreislaufes zu realisieren, der durch die Anodenrezirkulationsleitung zustande kommt. Mit einer solchen Anodenrezirkulationsleitung kann der im Brennstoffzellenstapel 3 nicht verbrauchte Brennstoff den Anodenräumen stromauf des Brennstoffzellenstapels 3 erneut zugeführt werden, so dass dabei die Anodenrezirkulationsleitung wieder in die Anodenzufuhrleitung mündet. Um die Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf auszutragen, ist vorliegend in die Anodenrezirkulationsleitung ein Abscheider eingebunden. Dieser ist fluidmechanisch mit der Kathodenseite der Brennstoffzellenvorrichtung 1 verbunden, so dass die anodenseitig anfallende Flüssigkeit beispielsweise in die stromab des Brennstoffzellenstapels 3 vorhandene Kathodenabgasleitung 8 eingebracht wird, um die Flüssigkeit beispielsweise aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 auszuleiten. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitig anfallende Flüssigkeit vom Abscheider 7 auch in eine Kathodenzufuhrleitung 9 stromauf des Befeuchters 2 münden, so dass die Flüssigkeit dort in das frische Kathodengas eingetragen wird, bevor es in den Befeuchter 2 gelangt. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Befeuchter 2 insgesamt kleiner ausgelegt werden kann, da das frische, durch das Verdichten mittels des Verdichters 5 trockene Frischgas dann nicht mehr so stark zu befeuchten ist, um im Brennstoffzellenstapel 3 die erforderliche Feuchte der Membranen zu gewährleisten.The fuel cell stack is on the anode side 3 fluid-mechanically connected to an anode supply line, so that in the fuel reservoir shown schematically 6 contained fuel the fuel cell stack 3 can be fed. A valve or a suction jet pump can be suitable for realizing the desired partial pressure of fresh fuel within the anode circuit, which comes about through the anode recirculation line. With such an anode recirculation line, the in the fuel cell stack 3 unused fuel the anode compartments upstream of the fuel cell stack 3 are fed again, so that the anode recirculation line opens again into the anode feed line. In order to discharge the liquid from the anode circuit, a separator is integrated in the anode recirculation line. This is fluid mechanically with the cathode side of the fuel cell device 1 connected, so that the liquid occurring on the anode side, for example, in the downstream of the fuel cell stack 3 existing cathode exhaust line 8th is introduced to the liquid for example from the fuel cell device 1 to divert. As an alternative or in addition, the liquid that occurs on the anode side can be taken from the separator 7th also in one Cathode feed line 9 upstream of the humidifier 2 open, so that the liquid is entered there into the fresh cathode gas before it enters the humidifier 2 got. This has the advantage that the humidifier 2 can be designed to be smaller overall, since the fresh, due to the compression by means of the compressor 5 dry fresh gas can then no longer be humidified as much as it can in the fuel cell stack 3 to ensure the required humidity of the membranes.

Um den Massenstrom des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel 3 regulieren zu können ist ein Bypass 10 vorhanden, welcher ein Stellglied, insbesondere ein Druckregelventil aufweist. Dieser Bypass 10 verbindet die Kathodenzufuhrleitung 9 mit der Kathodenabgasleitung 8.To the mass flow of the cathode gas through the fuel cell stack 3 Being able to regulate is a bypass 10 present, which has an actuator, in particular a pressure control valve. This bypass 10 connects the cathode supply line 9 with the cathode exhaust line 8th .

Der in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 genutzte Befeuchter 2, ist ein großes und teures Bauteil, das einen großen Bauraumbedarf hat, was insbesondere nachteilig ist, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug betrieben werden soll. Ein verbesserter Befeuchter 2 mit jeweils zwischen zwei Befeuchtermodulen angeordneten Membran 11 zeichnet sich dadurch aus, dass dieser frei von Dichtungen und frei von einem Spannsystem ausgeführt ist, wobei dies durch die Verwendung eines generativen Fertigungsverfahrens ermöglicht ist, bei dem in einem ersten generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul 12 gedruckt wird. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weist dieses erste Befeuchtermodul 12 eine Aufnahme 13 auf der Oberfläche auf. Nach der Fertigung des ersten Befeuchtermodul 12 wird der für das generative Fertigungsverfahren genutzte 3D-Drucker angehalten und die Membran 11 in die Aufnahme eingelegt, deren Tiefe so bemessen ist, dass ein Ausgleich der Membrandicke erfolgt und wieder eine plane Oberfläche bereitgestellt ist, auf der in einem weiteren generativen Fertigungsschritt ein zweites Befeuchtermodul 14 aufgedruckt wird (3 und 3A). Diese Verfahrensschritte können iterativ so oft wiederholt werden, bis der Befeuchter 2 die vorgegebene Größe erreicht hat, sodass sich im Prinzip ein monolithisch gefertigter Block als Befeuchter 2 ergibt, wie dies in der 2 dargestellt ist mit den zwischen den Befeuchtermodulen 12,14 positionierten Membranen 11. Aus der 2 ist auch ersichtlich, dass die Schlauchanschlüsse 15 in das generative Fertigungsverfahren einbezogen sind, wobei die 2 zeigt, dass die Schlauchanschlüsse 15 endständig ausgebildet sind, nämlich an zwei Endplatten. Nur beispielhaft wird erwähnt, dass der linke untere Schlauchanschluss 16 für das trockene Frischgas nutzbar ist, während der rechte untere Schlauchanschluss 17 für das feuchte Abgas genutzt wird. Oben links befindet sich der Auslass für das feuchte Abgas, während oben rechts der Auslass 19 für das befeuchtete Frischgas ist. In dem Ausführungsbeispiel 2 ist ein Gegenstrom für die einer Membran zugeordneten Befeuchtermodule 12,14 gezeigt, während aber auch eine Gleich-, Kreuz- oder Kreuzgegenstromführung realisierbar ist.The one in the fuel cell device 1 used humidifiers 2 , is a large and expensive component that requires a large amount of space, which is particularly disadvantageous when the fuel cell device 1 to be operated in a motor vehicle. An improved humidifier 2 each with a membrane arranged between two humidifier modules 11 is characterized in that it is designed free of seals and free of a tensioning system, this being made possible by the use of an additive manufacturing method in which a first humidifier module is used in a first additive manufacturing step 12 is printed. In the embodiment shown in the drawing, this first humidifier module 12 a recording 13 on the surface. After manufacturing the first humidifier module 12 the 3D printer used for the additive manufacturing process is stopped and the membrane 11 inserted into the receptacle, the depth of which is dimensioned such that the membrane thickness is compensated and a flat surface is again provided on which a second humidifier module is provided in a further generative manufacturing step 14th is printed ( 3 and 3A) . These procedural steps can be repeated iteratively until the humidifier 2 has reached the specified size, so that in principle a monolithic block can be used as a humidifier 2 results like this in the 2 is shown with the between the humidifier modules 12 , 14th positioned membranes 11 . From the 2 can also be seen that the hose connections 15th are included in the additive manufacturing process, whereby the 2 shows that the hose connections 15th are formed terminally, namely on two end plates. It is only mentioned as an example that the lower left hose connection 16 can be used for the dry fresh gas, while the lower right hose connection 17th is used for the moist exhaust gas. At the top left is the outlet for the humid exhaust gas, while at the top right is the outlet 19th for the humidified fresh gas. In the embodiment 2 is a counterflow for the humidifier modules assigned to a membrane 12 , 14th shown, while a direct, cross or cross countercurrent flow can also be implemented.

Die 6 zeigt ein Beispiel, in dem sämtliche Schlauchanschlüsse 15 einer Endplatte zugewiesen sind, während die 7 darauf verweist, dass aufgrund des generativen Fertigungsverfahrens in einfacher Weise auch die Ausbildung der Schlauchanschlüsse 15 seitlich an dem Befeuchter 2 möglich ist zur Speisung der aus den 8 bis 10 ersichtlichen Header 20.The 6 shows an example in which all hose connections 15th are assigned to an end plate, while the 7th refers to the fact that, due to the generative manufacturing process, the hose connections are also designed in a simple manner 15th on the side of the humidifier 2 is possible to feed from the 8th to 10 visible header 20th .

Die 4 bis 5 verweisen darauf, dass auch eine Membran 11 mit einer Perforierung 21 genutzt werden kann, wobei für das Zusammenwirken mit der Perforierung 21 die in dem generativen Fertigungsschritt gefertigten ersten Befeuchtermodul 12 ihre Aufnahmen für die Membran zugeordnete Stifte aufweisen oder die zweiten Befeuchtermodule 14 in dem generativen Fertigungsschritt durch die Perforierung 21 gedruckte Zapfen nutzen.The 4th to 5 point out that also a membrane 11 with a perforation 21st can be used, for interacting with the perforation 21st the first humidifier module manufactured in the generative manufacturing step 12 have their receptacles for the membrane associated pins or the second humidifier modules 14th in the generative manufacturing step through the perforation 21st use printed cones.

Die 8 und 10 lassen die Gestaltung der Befeuchtermodule 12,14 erkennen, die als Flussfeldrahmen 23 mit zugewiesenen Flussfelder ausgebildet sind, in denen Strömungskanäle 25 durch Stege 24 getrennt sind. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass aufgrund des gewählten generativen Fertigungsverfahren der Verlauf und die Kontur der Strömungskanäle 25 bzw. die der Speisung der Strömungskanäle 25 dienende Header 20 angepasst werden können, um das Strömungsverhalten zu verbessern und für eine bessere Gleichverteilung in den einzelnen Schichten zu sorgen. Nutzbar für eine derartige Modifikation sind Verengungen der Kontur, Biegungen der Strömungskanäle 25 oder Prallflächen zur Strömungsumlenkung.The 8th and 10 let the design of the humidifier modules 12 , 14th recognize that as a flow field frame 23 with assigned flow fields are formed in which flow channels 25th through bars 24 are separated. It should also be pointed out that the course and contour of the flow channels are due to the selected additive manufacturing process 25th or that of the supply of the flow channels 25th serving headers 20th can be adjusted to improve the flow behavior and to ensure better uniform distribution in the individual layers. Constrictions in the contour and bends in the flow channels can be used for such a modification 25th or baffles to deflect the flow.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
2.2.
BefeuchterHumidifier
3.3.
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
4.4th
BrennstoffzelleFuel cell
5.5.
Verdichtercompressor
6.6th
Brennstofffuel
7.7th
AbscheiderSeparator
8.8th.
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
9.9.
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
10.10.
Bypassbypass
11.11.
Membranmembrane
12.12.
erstes Befeuchtermodulfirst humidifier module
13.13.
Aufnahmeadmission
14.14th
zweites Befeuchtemodulsecond humidification module
15.15th
SchlauchanschlüsseHose connections
16.16.
Schlauchanschluss Einlass FrischgasHose connection fresh gas inlet
17.17th
Schlauchanschluss Einlass AbgasHose connection exhaust gas inlet
18.18th
Schlauchanschluss Auslass AbgasHose connection exhaust gas outlet
19.19th
Schlauchanschluss Auslass FrischgasHose connection fresh gas outlet
20.20th
HeaderHeader
21.21st
PerforierungPerforation
22.22nd
Stiftepencils
23.23.
FlussfeldrahmenFlow field frame
24.24.
StegeBridges
25.25th
StrömungskanalFlow channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016224478 A1 [0004]DE 102016224478 A1 [0004]
  • US 2016/0093898 A1 [0005]US 2016/0093898 A1 [0005]
  • DE 102014009329 A1 [0006]DE 102014009329 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (2), bei dem in einem generativen Fertigungsschritt ein erstes Befeuchtermodul (12) gedruckt wird, auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls (12) eine Membran (11) gelegt wird und in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul (12) und der Membran (11) ein zweites Befeuchtermodul (14) weitergedruckt wird.Method for producing a humidifier (2), in which a first humidifier module (12) is printed in a generative manufacturing step, a membrane (11) is placed on the surface of the first humidifier module (12) and in a further generative manufacturing step on the first humidifier module (12) and the membrane (11) a second humidifier module (14) is further printed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls (12) eine Aufnahme (13) ausgebildet und in diese Aufnahme (13) die Membran (11) eingelegt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that a receptacle (13) is formed on the surface of the first humidifier module (12) and the membrane (11) is inserted into this receptacle (13). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte iterativ bis zur vorgegebenen Größe des Befeuchters (2) mit der gewünschten Anzahl der Befeuchtermodule (12, 14) wiederholt werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the method steps are repeated iteratively up to the predetermined size of the humidifier (2) with the desired number of humidifier modules (12, 14). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Befeuchtermodul (12) und/oder das zweite Befeuchtermodul (14) als Flussfeldrahmen (23) mit einem zugewiesenen Flussfeld gestaltet wird, in dem Strömungskanäle (25) durch Stege (24) voneinander getrennt sind.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the first humidifier module (12) and / or the second humidifier module (14) is designed as a flow field frame (23) with an assigned flow field in which flow channels (25) are separated from one another by webs (24). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem generativen Fertigungsschritt die Schlauchanschlüsse (15) an mindestens einer Endplatte oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that in a generative manufacturing step the hose connections (15) are formed on at least one end plate or at the edge on at least one side plate. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a temperature-resistant plastic is used. Befeuchter mit einer Mehrzahl jeweils zwischen zwei Befeuchtermodulen (12, 14) angeordneten Membranen (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausführung frei von Dichtungen und frei von einem Spannsystem erfolgt.Humidifier with a plurality of membranes (11) each arranged between two humidifier modules (12, 14), characterized in that the design is free of seals and free of a tensioning system. Befeuchter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (11) eine Perforierung (21) aufweist.Humidifier Claim 7 , characterized in that the membrane (11) has a perforation (21). Befeuchter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zusammenwirken mit der Perforierung (21) der Membran (11) die in dem generativen Fertigungsschritt gefertigten ersten Befeuchtermodule (12) ihren Aufnahmen (13) für die Membran (11) zugeordnet Stifte (22) aufweisen und/oder die zweiten Befeuchermodule (14) in dem generativen Fertigungsschritt durch die Perforierung (11) gedruckte Zapfen aufweisen.Humidifier Claim 8 , characterized in that for the interaction with the perforation (21) of the membrane (11) the first humidifier modules (12) manufactured in the generative manufacturing step have pins (22) assigned to their receptacles (13) for the membrane (11) and / or the second humidifier modules (14) have pegs printed through the perforation (11) in the generative manufacturing step. Befeuchter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtermodule (12, 14) als Flussfeldrahmen (23) mit zugewiesenen Flussfeldern gestaltet sind, in denen Strömungskanäle (25) durch Stege (24) getrennt sind und die Kontur und/oder der Verlauf der Strömungskanäle (25), der diese trennenden Stege (24) und/oder die Strömungskanäle (25) speisende Zuleitungen aufgrund ihrer Lage und Funktion bestimmt ist, indem eine Verengung der Kontur zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit und eine Biegung zur Beeinflussung der Abscheidung und/oder Speicherung von Wasser genutzt ist.Humidifier according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that the humidifier modules (12, 14) are designed as flow field frames (23) with assigned flow fields, in which flow channels (25) are separated by webs (24) and the contour and / or the course of the flow channels (25), the feed lines feeding these separating webs (24) and / or the flow channels (25) are determined based on their position and function by using a narrowing of the contour to influence the flow rate and a bend to influence the separation and / or storage of water.
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