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Die Erfindung betrifft einen Befeuchter zur Feuchteübertragung durch eine Membran zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Feuchtegehalt, wobei auf mindestens einer Seite der Membran deren Oberfläche eine aus der Ebene der Membran in die dritte Dimension ragende Oberflächenstrukturierung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist. In der Druckschrift
US 2006/0057448 A1 ist die Fertigung einer Membran für die Membran-Elektroden-Einheit beschrieben, während die
US 2018/0331380 A1 und die 25
WO 2013/064726 A1 die Fertigung einer Membran-Elektroden-Einheit und einer Brennstoffzelle respektive offenbaren.
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Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von 02 zu 02- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im 5 Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss. Für das Wassermanagement ist es bekannt, Befeuchter einzusetzen, 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 den 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 dem Brennstoffzellenstapel 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. Diese Membran eines Befeuchters ist grundsätzlich verschieden zu der Membran der Membran-Elektroden-Einheit.
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Befeuchter stellen große und materialintensive Bauteile mit einem hohen Bauraumbedarf dar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Befeuchter bereit zu stellen, bei dem eine verbesserte Ausnutzung des Bauraumes gegeben ist. Aufgabe ist weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der eingangs genannte Befeuchter zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund der Oberflächenstrukturierung bei einer gegebenen Grundfläche der Membran deren aktive Oberfläche, die für den Feuchtetransfer genutzt werden kann, vergrößert ist, so dass für eine erforderliche aktive Oberfläche die Grundfläche verkleinert werden kann. Auch ist damit eine verbesserte Wärmeübertragung verbunden. Dies schafft die Möglichkeit, zum einen Material einzusparen, das für einen Befeuchter gegebener Leistungsfähigkeit benötigt wird, zum anderen benötigt der Befeuchter weniger Bauraum, was besonders bedeutsam und vorteilhaft ist, wenn der Befeuchter bei begrenztem Raumangebot eingesetzt werden soll, wie dies bei mobilen Einheiten gegeben ist. Auch liegt durch die Oberflächenstrukturierung eine verbesserte mechanische Stabilität vor.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Oberflächenstrukturierung durch eine Wölbstruktur gebildet ist, bei der nicht hervorstehende Spitzen, sondern eine sanfte Wölbung die Vergrößerung der Oberfläche bewirkt. Insbesondere kann die Wölbung der Wölbstruktur als Kugelausschnitt geformt sein, was Vorteile bei der Fertigung bietet, was durch Tempern, Heißpressen oder Hydroformen erfolgen kann.
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Auch besteht die Möglichkeit, dass die Basis der Wölbstruktur polygonartig ist, um so eine bessere Flächenausnutzung zu haben und nicht nur tangential sich berührende Kreise, wie dies bei einem reinen Kugelschnitt oder Kugelausschnitt der Fall wäre.
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Die Vorteile gelten auch, wenn beide Seiten der Membran die Oberflächenstrukturierung aufweisen.
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Die Membran ist als Kompositmembran mit einer Stützschicht und einer Selektivschicht gebildet.
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Zweckmäßigerweise ist die Membran in einem Flachmembranmodul angeordnet, das beidseits der Membran je eine Flussfeldplatte aufweist, die einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Einlassheader und einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Auslassheader sowie ein zwischen den Header angeordnetes Flussfeld aufweist, welches mit einer Mehrzahl von mittels Trennstegen voneinander getrennten Kanälen gebildet ist.
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Die Leistungsfähigkeit des Befeuchters lässt sich in einfacher Weise skalieren, wenn mehrere der Flachmembranmodule zwischen Endplatten zusammengefasst sind.
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Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem derartigen Befeuchter sowie für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.
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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.
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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,
- 2 eine schematische Darstellung eines Flachmembranmoduls eines Befeuchter,
- 3 eine Draufsicht auf die Oberfläche einer in dem Flachmembranmodul aus 2, verwendeten Membran, und
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung einer Zusammenstellung möglicher Wölbstrukturen der Oberfläche der Membran.
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese einen Befeuchter 3 zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.
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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.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 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.
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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+ → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 6 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 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in dem dem Verdichter 6 nachgelagerten Befeuchter 3, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Wie bereits ausgeführt, wird das im Brennstoffzellenstapel anfallende Flüssigwasser auch für den Befeuchter 3 genutzt. Der Befeuchter 3 ist in der Regel dabei aus einer Mehrzahl von Befeuchtermodulen aufgebaut, die zwischen Endplatten 5 angeordnet sind und Flussfeldplatten 7 aufweisen, in denen Flussfelder 8 mit durch Trennstege 9 getrennten Strömungskanäle 10 ausgebildet sind. In 2 ist eine Ausführungsform mit einem Flachmembranmodul 4 gezeigt, das beidseits der Membran 11 eine der Flussfeldplatte 7 aufweist, die einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Einlassheader 12 und einen sich von der Plattenoberseite zur Plattenunterseite erstreckenden Auslassheader 13 aufweist. Zwischen den Header 12,13 ist das Flussfeld 7 angeordnet. Mehrere Flachmembranmodule 4 können zwischen den Endplatten 5 in einem Befeuchter 3 zusammen gefasst sein. In 2 wird der feuchte Gasstrom, also die Kathodenabluft, links oben zugeführt und unten rechts abgeführt. Das trockene Gas, also die komprimierte Luft, ist im Kreuzstrom von unten links nach oben rechts geführt.
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Auf mindestens einer Seite der Membran 11 weist deren Oberfläche eine aus der Ebene der Membran 11 in die dritte Dimension ragende Oberflächenstrukturierung 14 auf, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen durch eine Wölbstruktur 15 gebildet ist, wobei die Wölbung der Wölbstruktur 15 als Kugelausschnitt geformt ist mit einer polygonartigen Basis, wie in der 3 gezeigt.
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Um die mit der Oberflächenstrukturierung 14 verbundenen Vorteile größtmöglichst auszunutzen, weisen beide Seiten der Membran 11 die Oberflächenstrukturierudg 14 auf. Die Membran 11 kann als Kompositmembran mit einer Stützschicht und einer Selektivschicht gebildet sein.
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Bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 1, die einen derartigen Befeuchter 3 aufweist, liegt eine verbesserte Bauraumausnutzung vor.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Befeuchter
- 4
- Flachmembranmodul
- 5
- Endplatte
- 6
- Verdichter
- 7
- Flussfeldplatte
- 8
- Flussfeld
- 9
- Trennsteg
- 10
- Strömungskanäle
- 11
- Membran
- 12
- Einlassheader
- 13
- Auslassheader
- 14
- Oberflächenstrukturierung
- 15
- Wölbstruktur
- 16
- Kugelausschnitt
- 17
- Polygon
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0057448 A1 [0002]
- US 2018/0331380 A1 [0002]
- WO 2013/064726 A1 [0002]
