DE102020130603A1 - Process for producing a membrane for a humidifier and for producing a humidifier - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membran für einen Befeuchter (2), umfassend die folgenden Schritte:a. Bereitstellen einer Spindüse (11) mit einer Polymerlösung (12) und einer Centerflüssigkeit (13),b. Aktivieren der Spindüse (11) und dadurch Ausbilden eines ersten Zwischenprodukts,c. Überführen des Zwischenprodukts in ein Fällbad (14) und dadurch Ausfällen eines Filaments in dem Fällbad (14),d. Trocknen des Filaments,e. Herstellen einer Membran aus dem Filament mittels eines generativen Fertigungsverfahrens (16), undf. Spülen (17) und Trocknen (18) der Membran.Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters.The invention relates to a method for producing a membrane for a humidifier (2), comprising the following steps: a. Providing a spinneret (11) with a polymer solution (12) and a center liquid (13),b. activating the spinneret (11) and thereby forming a first intermediate product, c. transferring the intermediate product to a precipitation bath (14) and thereby precipitating a filament in the precipitation bath (14), d. drying the filament, e. producing a membrane from the filament by means of an additive manufacturing process (16), andf. Rinsing (17) and drying (18) the membrane. The invention also relates to a method for manufacturing a humidifier.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere porösen, Membran für einen Befeuchter. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters für eine Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for producing a membrane, in particular a porous membrane, for a humidifier. The invention also relates to a method for producing a humidifier for a fuel cell device.

Befeuchter werden im Allgemeinen eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/GasBefeuchter 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 transfer the moisture to the drier medium in two gaseous media with a different moisture content. Such gas/gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen it contains in the cathode cycle to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the humidity of which is suitable for use in the fuel cell stack for the membrane electrode unit not enough. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past a membrane permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack. For the conditioning of the air to be supplied to the cathode chambers of the fuel cell stack, it is also necessary to control the temperature thereof, for which purpose charge air coolers positioned downstream of the compressor are generally used. The humidifier and the intercooler are large components that contribute to a large increase in the space required for a fuel cell device and limit the efficiency of the fuel cell device because of the 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 the humidifiers known from the previous state of the art are complex to assemble, since they have a modular structure and the individual manufactured modules have to be sealed and braced against one another, so that the material costs for the seals and the tensioning system are high and there are inaccuracies during assembly can lead to an uneven distribution of the fluids in the humidifier.

Poröse Membranen für einen Befeuchter, insbesondere Hohlfasermembranen werden üblicherweise mittels „Potting“ in einer Zentrifuge oder mittels eines Phaseninversionsverfahrens hergestellt. Bei letzterem wird eine Spindüse mit einer Polymerlösung und einer Centerflüssigkeit bereit gestellt, diese aktiviert, so dass ein erstes Zwischenprodukt hergestellt wird, welches in ein Fällbad überführt und darin ausgefällt wird. Das so hergestellte hohle Filament wird über mehrere Rollen in einem Spülbad gespült, im Anschluss getrocknet und gewickelt. Nachteilig ist hierbei der vergleichsweise zeit- und damit kostenaufwändige Spülschritt, die Baugröße und der hohe Materialaufwand.Porous membranes for a humidifier, in particular hollow-fiber membranes, are usually produced by means of "potting" in a centrifuge or by means of a phase inversion process. In the case of the latter, a spinneret is provided with a polymer solution and a center liquid, which is activated so that a first intermediate product is produced, which is transferred to a precipitation bath and precipitated therein. The hollow filament produced in this way is rinsed over several rollers in a rinsing bath, then dried and wound. Disadvantages here are the comparatively time-consuming and therefore costly rinsing step, the size and the high cost of materials.

Die WO 2016 / 135 385 A1 und die WO 2019 / 243 826 A1 beschreiben ein Verfahren, bei denen Membranen mittels eines generativen Verfahrens aus einem Filament gedruckt werden. Das Filament wird dabei mittels des oben beschriebenen Phaseninversionsverfahrens hergestellt.the WO 2016 / 135 385 A1 and the WO 2019 / 243 826 A1 describe a process in which membranes are printed from a filament using a generative process. The filament is produced using the phase inversion process described above.

Die US 2019 / 0 305 322 A1 beschreibt ein 3D Druckverfahren bei dem poröse Nanofilamente ein dreidimensionales Netz bilden, um eine Elektrode zu bilden.the U.S. 2019/0 305 322 A1 describes a 3D printing process in which porous nanofilaments form a three-dimensional mesh to form an electrode.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Fertigung einer porösen Membran und eines Befeuchters vereinfacht werden kann.It is therefore the object of the present invention to specify a method with which the production of a porous membrane and a humidifier can be simplified.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 3. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer porösen Membran für einen Befeuchter zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

  1. a. Bereitstellen einer Spindüse mit einer Polymerlösung und einer Centerflüssigkeit,
  2. b. Aktivieren der Spindüse und dadurch Ausbilden eines ersten Zwischenprodukts,
  3. c. Überführen des Zwischenprodukts in ein Fällbad und dadurch Ausfällen eines Filaments in dem Fällbad,
  4. d. Trocknen des Filaments,
  5. e. Herstellen einer Membran aus dem Filament mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, und
  6. f. Spülen und Trocknen der Membran.
The method according to the invention for producing a porous membrane for a humidifier is characterized by the following steps:
  1. a. providing a spinneret with a polymer solution and a center liquid,
  2. b. activating the spinneret and thereby forming a first intermediate product,
  3. c. transferring the intermediate product to a precipitation bath and thereby precipitating a filament in the precipitation bath,
  4. i.e. drying the filament,
  5. e. Manufacturing a membrane from the filament using an additive manufacturing process, and
  6. f. Rinse and dry the membrane.

Die Membran wird aus dem Filament mittels eines generatives Fertigungsverfahrens hergestellt, vorzugsweise gedruckt. Der bei der Phaseninversion übliche Schritt des Spülens und Trocknens wird bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Filaments weggelassen. Stattdessen wird die generativ hergestellte Membran gespült und getrocknet. Dies beschleunigt und vergünstigt den Herstellungsprozess, da auf einen zusätzlichen Spülungsschritt des Filaments verzichtet werden kann. Vorzugsweise wird als Polymerlösung Celluloseacetat, Polyacrylnitril, Poly(methylmethacrylat), Polyamid oder Polysulfonharz verwendet.The membrane is made from the filament using a generative manufacturing process, preferably printed. The rinsing and drying step customary in phase inversion is omitted in the manufacture of the filament of the present invention. Instead, the generatively manufactured membrane is rinsed and dried. This speeds up and reduces the manufacturing process, since an additional rinsing step for the filament can be dispensed with. Cellulose acetate, polyacrylonitrile, poly(methyl methacrylate), polyamide or polysulfone resin is preferably used as the polymer solution.

Vorteilhaft ist dabei, wenn das getrocknete Filament aufgewickelt wird, bevor die Membran hergestellt wird.It is advantageous if the dried filament is wound up before the membrane is produced.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Befeuchters zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

  • • Bereitstellen mindestens einer Spindüse mit einer Polymerlösung und einer Centerflüssigkeit,
  • • Aktivieren der Spindüse und dadurch Ausbilden eines ersten Zwischenprodukts,
  • • Überführen des Zwischenprodukts in ein Fällbad und dadurch Ausfällen eines Filaments in dem Fällbad,
  • • Trocknen des Filaments,
  • • Drucken eines ersten Befeuchtermoduls,
  • • Drucken einer Membran aus dem Filament auf einer Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls, oder Bereitstellen einer generativ aus dem Filament hergestellten Membran und Auflegen der Membran auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls, und
  • • Spülen und Trocknen des ersten Befeuchtermoduls zusammen mit der Membran.
The method according to the invention for producing the humidifier is characterized by the following steps:
  • • providing at least one spinneret with a polymer solution and a center liquid,
  • • activating the spinneret and thereby forming a first intermediate product,
  • • Transferring the intermediate product into a precipitation bath and thereby precipitating a filament in the precipitation bath,
  • • drying the filament,
  • • Printing a first humidifier module,
  • • Printing a membrane from the filament on a surface of the first humidifier module, or providing a membrane produced generatively from the filament and placing the membrane on the surface of the first humidifier module, and
  • • Rinsing and drying of the first humidification module together with the membrane.

Der gesamte Befeuchter, also sowohl das erste Befeuchtermodul als auch die Membran, kann mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden, wobei auf einen zusätzlichen (Zwischen-)Spülschritt des Filaments verzichtet werden kann. Dies vereinfacht und vergünstigt die Herstellung des Befeuchters. Gleichzeitig können durch die Ausnutzung des generativen Fertigungsverfahrens eine verbesserte Ausnutzung des Bauraums durch Erhöhung der Oberfläche, eine verbesserte mechanische Stabilität und eine verbesserte Wärme- und Stoffübertragung gewährleistet werden. Zudem kann auf ein „Potting“ in Zentrifugen verzichtet werden. Ebenso kann auf eine nachträgliche Montage und damit auf Dichtungen oder ein Spannsystem verzichtet werden.The entire humidifier, ie both the first humidifier module and the membrane, can be produced using an additive manufacturing process, in which case an additional (intermediate) rinsing step of the filament can be dispensed with. This simplifies and reduces the production of the humidifier. At the same time, by using the generative manufacturing process, improved utilization of the installation space can be ensured by increasing the surface area, improved mechanical stability and improved heat and mass transfer. In addition, there is no need for "potting" in centrifuges. Subsequent assembly and thus seals or a clamping system can also be dispensed with.

Die Membran und das erste Befeuchtermodul können dabei getrennt voneinander generativ hergestellt werden, so dass die generativ hergestellte Membran auf die Oberfläche oder in eine an der Oberfläche ausgebildete Aussparung des generativ hergestellten ersten Befeuchtermoduls aufgelegt wird.The membrane and the first humidifier module can be generatively manufactured separately from one another, so that the generatively manufactured membrane is placed on the surface or in a recess formed on the surface of the generatively manufactured first humidifier module.

Bevorzugt werden das erste Befeuchtermodul und die Membran nacheinander gedruckt, so dass zunächst das erste Befeuchtermodul gedruckt wird, wobei im Anschluss daran die Membran aus dem Filament auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls gedruckt wird.The first humidifier module and the membrane are preferably printed one after the other, so that the first humidifier module is printed first, with the membrane then being printed from the filament onto the surface of the first humidifier module.

Um das Herstellungsverfahren noch weiter zu beschleunigen und zu vereinfachen, wird besonders bevorzugt das erste Befeuchtermodul und die Membran im selben Fertigungsschritt gedruckt. Dabei wird das erste Befeuchtermodul mittels einer an einem Druckkopf des 3D-Druckers angebrachten ersten Düse gedruckt, und die Membran im selben Fertigungsschritt mittels einer am Druckkopf angebrachten zweiten Düse auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls gedruckt.In order to further speed up and simplify the manufacturing process, the first humidifier module and the membrane are particularly preferably printed in the same manufacturing step. The first humidifier module is printed using a first nozzle attached to a print head of the 3D printer, and the membrane is printed on the surface of the first humidifier module in the same manufacturing step using a second nozzle attached to the print head.

Die Leistungsfähigkeit des Befeuchters kann in einfacher Weise skaliert werden, indem mehrere Membranen mit zugeordneten Befeuchtungsmodulen genutzt werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit bietet, dass in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran ein zweites Befeuchtermodul und eine zweite Membran, weitergedruckt werden, und dass die Verfahrensschritte iterativ bis zu einer vorgegebenen Größe des Befeuchters mit der gewünschten Anzahl an Befeuchtermodulen wiederholt werden.The performance of the humidifier can be scaled in a simple manner by using several membranes with associated humidification modules, with the method according to the invention offering the possibility that in a further generative manufacturing step on the first humidifier module and the membrane a second humidifier module and a second membrane are further printed and that the method steps are repeated iteratively up to a predetermined size of the humidifier with the desired number of humidifier modules.

In Analogie zu der Herstellung des ersten Befeuchtermoduls werden vorzugsweise das zweite Befeuchtermodul mittels der am Druckkopf angebrachten ersten Düse und die zweite Membran mittels der am Druckkopf angebrachten zweiten Düse im selben Fertigungsschritt generativ hergestellt. Dies vereinfacht und beschleunigt die Herstellung des Befeuchters.In analogy to the production of the first humidifier module, the second humidifier module is preferably produced generatively in the same production step using the first nozzle attached to the print head and the second membrane using the second nozzle attached to the print head. This simplifies and speeds up the manufacture of the humidifier.

Alternativ können die zweiten Befeuchtermodule und die zweiten Membran auch separat voneinander generativ hergestellt werden. Das heißt, das zweite Befeuchtermodul wird mittels der ersten Düse auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran gedruckt und die separat generativ hergestellte Membran wird auf eine Oberfläche oder in eine Aussparung des zweiten Befeuchtermoduls aufgelegt.Alternatively, the second humidifier modules and the second membrane can also be generatively manufactured separately from one another. This means that the second humidifier module is printed on the first humidifier module and the membrane by means of the first nozzle and the separately produced membrane is placed on a surface or in a recess of the second humidifier module.

Alternativ ist es auch möglich, dass das zweite Befeuchtermodul auf das erste Befeuchtermodul und die Membran mittels der ersten Düse gedruckt wird, wobei im Anschluss daran die Membran mittels der zweiten Düse auf die Oberfläche gedruckt wird.Alternatively, it is also possible for the second humidifier module to be printed onto the first humidifier module and the membrane using the first nozzle, with the membrane then being printed onto the surface using the second nozzle.

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 Fertigungsverfahrens 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 to guide the flowing fluids, and due to the type of manufacturing process used, the most varied shapes and configurations of the webs and thus the flow channels or the inlet and outlet lines can also be realized without any problems to. It is therefore possible to have bulges in which a liquid can accumulate, or, for example, constrictions to modify the flow rate.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass in einem generativen Fertigungsschritt die Schlauchanschlüsse an mindestens einer Endplatte oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden, also der Befeuchter insgesamt als eine Einheit in dem generativen Fertigungsprozess durch einen 3D-Drucker geschaffen wird, wobei zweckmäßigerweise aufgrund des gewünschten Einsatzgebietes ein temperaturbeständiger Kunststoff verwendet wird. Nur beispielhaft für einen derartigen temperaturbeständigen Kunststoff könne PU, PA6 oder PEEK eingesetzt werden.It is also advantageous that the hose connections are formed on at least one end plate or on the edge on at least one side plate in a generative manufacturing step, i.e. the humidifier is created overall as a unit in the generative manufacturing process by a 3D printer, with a temperature-resistant plastic is used. PU, PA6 or PEEK can only be used as examples 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 a clamping system, whereby the design can also be freely selected within wide limits, i.e. better adaptation to the installation conditions is provided if this humidifier is used as a Part of a fuel cell device used in a motor vehicle.

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 course of the flow channels, the webs separating them and/or the flow channels feeding the supply lines due to their position and function is determined by using a narrowing of the contour to influence the flow rate and a bend in the flow rate 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 and 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 combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of 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,
  • 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung einer porösen Membran, und
  • 3 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstellung eines Befeuchters.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a schematic representation of the process for the production of a porous membrane, and
  • 3 a schematic representation of the method for producing a humidifier.

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 a fuel cell device 1 is shown schematically, this comprising a humidifier 2 for humidity regulation of a plurality of fuel cells 4 combined in a fuel cell stack 3 .

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 4 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.Fuel (e.g. hydrogen) can be supplied to the anode via an anode chamber. 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. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device 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 space, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction/electron acceptance).

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.Since several fuel cells 2 are combined in the fuel cell stack 3, a sufficiently large quantity of cathode gas is made available, so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is made available by a compressor 5, with the temperature of the cathode gas increasing sharply 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 the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 3, takes place in a charge air cooler (not shown in detail) downstream of the compressor and in the humidifier 2, which saturates the membranes of the fuel cells 4 with moisture to increase their efficiency causes, since this favors the proton transport.

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 7 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.On the anode side, the fuel cell stack 3 is fluid-mechanically connected to an anode feed line, so that fuel contained in the fuel storage device 6 shown schematically can be fed to the fuel cell stack 3 . A valve or an ejector pump can be suitable in order to realize 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 fuel not consumed in the fuel cell stack 3 can be fed back to the anode chambers upstream of the fuel cell stack 3, so that the anode recirculation line opens back into the anode feed line. In order to discharge the liquid from the anode circuit, a separator 7 is integrated into the anode recirculation line. This is fluid-mechanically connected to the cathode side of the fuel cell device 1 so that the liquid occurring on the anode side is introduced, for example, into the cathode exhaust gas line 8 downstream of the fuel cell stack 3 in order to discharge the liquid, for example, from the fuel cell device 1 . Alternatively or additionally, the liquid occurring on the anode side can also flow from the separator 7 into a cathode feed line 9 upstream of the humidifier 2 so that the liquid is introduced into the fresh cathode gas there before it reaches the humidifier 2 . This has the advantage that the humidifier 2 can be made smaller overall, since the fresh fresh gas, which has been dried by the compression by means of the compressor 5, then no longer has to be humidified so much in order to ensure the required humidity of the membranes in the fuel cell stack 3.

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. In order to be able to regulate the mass flow of the cathode gas through the fuel cell stack 3, there is a bypass 10 which has an actuator, in particular a pressure control valve. This bypass 10 connects the cathode supply line 9 to the cathode exhaust line 8.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer porösen Membran für den Befeuchter 2. Zunächst wird eine Spindüse 11, gespeist von einer Polymerlösung 12 und einer Centerflüssigkeit 13, bereitgestellt. Die Spindüse 11 wird aktiviert, wodurch ein erstes Zwischenprodukt, vorliegend eine Hohlfaser, ausgebildet wird. Das Zwischenprodukt wird in ein Fällbad 14 überführt, wodurch ein Filament ausgefällt wird. Anschließend wird das Filament getrocknet und in einem optionalen Schritt auf eine Spule 15 aufgewickelt. Im Anschluss daran wird die poröse Membran mittels eines generativen Fertigungsverfahrens 16 hergestellt bzw. gedruckt; z.B. mittels eines 3D-Druckers. Schließlich wird die Membran gespült 17 in einer Spüleinrichtung und getrocknet 18 in einer Trocknungseinrichtung. Die Herstellung der Membran mittels eines generativen Fertigungsverfahrens 16 ermöglicht eine Reduzierung der Baugröße der Membran und damit auch eine Reduzierung des Materialaufwands. Zudem kann auf einen zusätzlichen Spülschritt des Filaments vor dem generativen Fertigungsschritt 16 verzichtet werden, so dass bei der Herstellung der Membran ein Schritt eingespart werden kann. 2 shows a schematic representation of a method for producing a porous membrane for the humidifier 2. First, a spinneret 11 fed by a polymer solution 12 and a center liquid 13 is provided. The spinneret 11 is activated, as a result of which a first intermediate product, in this case a hollow fiber, is formed. The intermediate product is transferred to a precipitation bath 14, whereby a filament is precipitated. The filament is then dried and wound onto a spool 15 in an optional step. The porous membrane is then produced or printed by means of an additive manufacturing process 16; eg using a 3D printer. Finally, the membrane is rinsed 17 in a rinsing device and dried 18 in a drying device. The production of the membrane by means of a generative manufacturing process 16 allows a reduction in the structural size of the membrane and thus also a reduction in the cost of materials. In addition, an additional rinsing step of the filament before the generative manufacturing step 16 can be dispensed with, so that one step can be saved in the manufacture of the membrane.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit einfacher, schneller und kostengünstiger.The method according to the invention is therefore simpler, faster and cheaper.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Befeuchters 2. Dazu wird zunächst das Filament hergestellt, wie in 2 bereits beschrieben. Bevorzugt wird nun mittels einer ersten Düse eines Druckkopfes ein erstes Befeuchtermodul mittels des generativen Fertigungsverfahrens 16 gedruckt. Im selben Fertigungsschritt wird aus dem Filament auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls mittels einer an dem Druckkopf angebrachten zweiten Düse eine Membran gedruckt. In einem weiteren generativen Fertigungsschritt 16 wird auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran ein zweites Befeuchtermodul mittels der ersten Düse und eine zweite Membran mittels der zweiten Düse gedruckt. Die Verfahrensschritte können iterativ bis zu einer vorgegebenen Größe des Befeuchters 2 mit der gewünschten Anzahl an Befeuchtermodulen wiederholt werden. Ist die vorgegebene Größe des Befeuchters 2 erreicht, wird in zwei abschließenden Schritten der aus den Befeuchtermodulen und den Membranen zusammengesetzte Befeuchter 2 gespült 16 und getrocknet 17. 3 shows a schematic representation of a method for producing the humidifier 2. For this purpose, the filament is first produced, as in 2 already described. A first humidifier module is now preferably printed by means of the additive manufacturing method 16 by means of a first nozzle of a print head. In the same manufacturing step, a membrane is printed from the filament onto the surface of the first humidifier module using a second nozzle attached to the print head. In a further generative manufacturing step 16, a second humidifier module is printed on the first humidifier module and the membrane by means of the first nozzle and a second membrane by means of the second nozzle. The method steps can be repeated iteratively up to a predetermined size of the humidifier 2 with the desired number of humidifier modules. Once the specified size of the humidifier 2 has been reached, the humidifier 2 composed of the humidifier modules and the membranes is rinsed 16 and dried 17 in two final steps.

In einem alternativen und nicht näher gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Membran oder werden die Membranen, wie in 2 beschrieben, separat zu den Befeuchtermodulen hergestellt und zur Herstellung des Befeuchters 2 bereitgestellt. Somit wird das erste Befeuchtermodul generativ gefertigt bzw. gedruckt 16. Eine gleichzeitig oder zuvor hergestellte Membran wird bereitgestellt und auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls oder in eine auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls ausgebildete Aussparung aufgelegt. Im Anschluss daran wird das zweite Befeuchtermodul auf das erste Befeuchtermodul und die Membran gedruckt. Dann wird wiederum eine bereitgestellte zweite Membran auf die Oberfläche oder in die Aussparung des zweiten Befeuchtermoduls aufgelegt. Diese Schritte werden iterativ bis zu einer vorgegebenen Größe des Befeuchters 2 mit der gewünschten Anzahl an Befeuchtermodulen wiederholt. Ist die vorgegebene Größe des Befeuchters 2 erreicht, so werden in zwei abschließenden Schritten der aus den Befeuchtermodulen und den Membranen zusammengesetzte Befeuchter 2 gespült 16 und getrocknet 17.In an alternative embodiment that is not shown in detail, the membrane or membranes, as in 2 described, manufactured separately from the humidifier modules and provided for the manufacture of the humidifier 2. Thus, the first humidifier module is generatively manufactured or printed 16. A simultaneously or previously produced The membrane provided is provided and placed on the surface of the first humidifier module or in a recess formed on the surface of the first humidifier module. The second humidifier module is then printed onto the first humidifier module and the membrane. Then in turn a provided second membrane is placed on the surface or in the recess of the second humidifier module. These steps are repeated iteratively up to a predetermined size of the humidifier 2 with the desired number of humidifier modules. Once the specified size of the humidifier 2 has been reached, the humidifier 2 composed of the humidifier modules and the membranes is rinsed 16 and dried 17 in two final steps.

Die Befeuchtermodule werden dabei bevorzugt aus einem temperaturbeständigem Polymer 19 generativ gefertigt. Die Befeuchtermodule oder einzelne der Befeuchtermodule können darüber hinaus als Flussfeldrahmen mit einem zugewiesenen Flussgeld gestaltet werden, in dem Strömungskanäle durch Stege voneinander getrennt sind. Zudem kann in einem generativen Fertigungsschritt bei der Herstellung der Befeuchtermodule die Schlauchanschlüsse an mindestens einer Endplatte oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden.The humidifier modules are preferably produced additively from a temperature-resistant polymer 19 . In addition, the humidifier modules or individual humidifier modules can be designed as a flow field frame with an assigned flow money, in which flow channels are separated from one another by webs. In addition, the hose connections can be formed on at least one end plate or on the edge on at least one side plate in a generative manufacturing step during the manufacture of the humidifier modules.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Befeuchterhumidifier
33
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
44
Brennstoffzellefuel cell
55
Verdichtercompressor
66
Brennstofffuel
77
Abscheiderseparator
88th
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
99
Kathodenzufuhrleitungcathode supply line
1010
Bypassbypass
1111
Spindüsespinneret
1212
Polymerlösungpolymer solution
1313
Centerflüssigkeitcenter fluid
1414
Fällbadprecipitation bath
1515
SpuleKitchen sink
1616
Generatives Fertigungsverfahren (z.B. 3D-Druck)Additive manufacturing process (e.g. 3D printing)
1717
SpülenWash
1818
Trocknendry
1919
Polymerpolymer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2016/135385 A1 [0005]WO 2016/135385 A1 [0005]
  • WO 2019/243826 A1 [0005]WO 2019/243826 A1 [0005]
  • US 2019/0305322 A1 [0006]US 2019/0305322 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung einer Membran für einen Befeuchter (2), umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen einer Spindüse (11) mit einer Polymerlösung (12) und einer Centerflüssigkeit (13), b. Aktivieren der Spindüse (11) und dadurch Ausbilden eines ersten Zwischenprodukts, c. Überführen des Zwischenprodukts in ein Fällbad (14) und dadurch Ausfällen eines Filaments in dem Fällbad (14), d. Trocknen des Filaments, e. Herstellen einer Membran aus dem Filament mittels eines generativen Fertigungsverfahrens (16), und f. Spülen (17) und Trocknen (18) der Membran.Method for manufacturing a membrane for a humidifier (2), comprising the following steps: a. Providing a spinneret (11) with a polymer solution (12) and a center liquid (13), b. activating the spinneret (11) and thereby forming a first intermediate product, c. Transferring the intermediate product to a precipitation bath (14) and thereby precipitating a filament in the precipitation bath (14), i.e. drying the filament, e. producing a membrane from the filament by means of an additive manufacturing process (16), and f. rinsing (17) and drying (18) the membrane. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das getrocknete Filament aufgewickelt (15) wird, bevor die Membran hergestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the dried filament is wound up (15) before the membrane is manufactured. Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters (2) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend die folgenden Schritte: • Bereitstellen mindestens einer Spindüse (11) mit einer Polymerlösung (12) und einer Centerflüssigkeit (13), • Aktivieren der Spindüse (11) und dadurch Ausbilden eines ersten Zwischenprodukts, • Überführen des Zwischenprodukts in ein Fällbad (14) und dadurch Ausfällen eines Filaments in dem Fällbad (14), • Trocknen des Filaments, • Drucken eines ersten Befeuchtermoduls, • Drucken einer Membran aus dem Filament auf einer Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls, oder Bereitstellen einer generativ aus dem Filament hergestellten Membran und Auflegen der Membran auf die Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls, und • Spülen (17) und Trocknen (18) des ersten Befeuchtermoduls zusammen mit der Membran.Method for producing a humidifier (2) for a fuel cell device (1), comprising the following steps: • providing at least one spinneret (11) with a polymer solution (12) and a center liquid (13), • activating the spinneret (11) and thereby forming a first intermediate product, • Transferring the intermediate product into a precipitation bath (14) and thereby precipitating a filament in the precipitation bath (14), • drying the filament, • Printing a first humidifier module, • Printing a membrane from the filament on a surface of the first humidifier module, or providing a membrane produced generatively from the filament and placing the membrane on the surface of the first humidifier module, and • Rinsing (17) and drying (18) the first humidifier module together with the membrane. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Befeuchtermodul mittels einer an einem Druckkopf angebrachten ersten Düse gedruckt wird, und dass die Membran im selben Fertigungsschritt mittels einer am Druckkopf angebrachten zweiten Düse auf der Oberfläche des ersten Befeuchtermoduls gedruckt wird.procedure after claim 3 , characterized in that the first humidifier module is printed by means of a first nozzle attached to a print head, and that the membrane is printed in the same manufacturing step by means of a second nozzle attached to the print head on the surface of the first humidifier module. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren generativen Fertigungsschritt auf dem ersten Befeuchtermodul und der Membran ein zweites Befeuchtermodul und eine zweite Membran, weitergedruckt werden, und dass die Verfahrensschritte iterativ bis zu einer vorgegebenen Größe des Befeuchters (2) mit der gewünschten Anzahl an Befeuchtermodulen wiederholt werden.procedure after claim 3 or 4 , characterized in that in a further generative manufacturing step on the first humidifier module and the membrane, a second humidifier module and a second membrane are further printed, and that the process steps are repeated iteratively up to a predetermined size of the humidifier (2) with the desired number of humidifier modules will. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Befeuchtermodul mittels einer am Druckkopf angebrachten ersten Düse und die Membran mittels einer am Druckkopf angebrachten zweiten Düse im selben Fertigungsschritt generativ hergestellt werden.procedure after claim 5 , characterized in that the second humidifier module is produced generatively by means of a first nozzle attached to the print head and the membrane by means of a second nozzle attached to the print head in the same production step. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Befeuchtermodul und/oder das zweite Befeuchtermodul als Flussfeldrahmen mit einem zugewiesenen Flussfeld gestaltet wird, in dem Strömungskanäle durch Stege voneinander getrennt sind.Procedure according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that the first humidifier module and/or the second humidifier module is designed as a flow field frame with an assigned flow field in which flow channels are separated from one another by webs. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem generativen Fertigungsschritt die Schlauchanschlüsse an mindestens einer Endplatte oder randseitig an mindestens einer Seitenplatte ausgebildet werden.Procedure according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the hose connections are formed on at least one end plate or at the edge on at least one side plate in an additive manufacturing step. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtermodule aus einem temperaturbeständigem Polymer generativ gefertigt werden.Procedure according to one of Claims 5 until 8th , characterized in that the humidifier modules are produced additively from a temperature-resistant polymer. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das getrocknete Filament aufgewickelt (15) wird bevor die Membran und/oder das Befeuchtermodul gedruckt wird.Procedure according to one of claims 3 until 9 , characterized in that the dried filament is wound up (15) before the membrane and/or the humidifier module is printed.
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