DE102021119823A1

DE102021119823A1 - Befeuchtungseinrichtung mit Kanalplatten, Trägerplatte und Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102021119823A1
Application number: DE102021119823.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Korn; Steffen Schütz; Pius Trautmann; Ralph Kemper
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-02-02
Also published as: US20240145741A1; WO2023006875A1; CN117836050A; EP4376988A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel (50) in einer Stapelrichtung (40) aufeinander folgenden Kanalplatten (10, 20), wobei im Plattenstapel (50) wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen (52, 54) ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen (30), insbesondere feuchtedurchlässige Lagen (30), getrennt sind; und wobei wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei in Stapelrichtung (40) aufeinander angeordnete Trägerplatten (12) mit umlaufendem Rahmen (14) umfasst. Dabei sind zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg verlaufende Stege (16) angeordnet, wobei die Stege (16) der Trägerplatten (12) sich in Stapelrichtung (40) gesehen kreuzen.Ferner betrifft die Erfindung eine Trägerplatte (12) für eine Befeuchtungseinrichtung (100) sowie eine Kanalplatte (10, 20) für eine Befeuchtungseinrichtung (100).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von Kanalplatten, sowie eine Trägerplatte und eine Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung.
Stand der Technik
Die DE 10 2016 224 478 A1 offenbart einen Membranbefeuchter für Brennstoffzellensysteme, bei dem feuchtes Abgas aus der Brennstoffzelle zum Befeuchten von Reaktionsgasen in den Brennstoffzellen eingesetzt wird. Der Membranbefeuchter umfasst mehrere aufeinander gestapelte Strömungsplatten. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten bzw. nebeneinander angeordneten Strömungsplatten ist jeweils eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte Trägerplatte für eine derartige Befeuchtungseinrichtung anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte Kanalplatte für eine derartige Befeuchtungseinrichtung anzugeben.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst von einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten, wobei im Plattenstapel wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen, getrennt sind; und wobei wenigstens eine Kanalplatte zwei in Stapelrichtung aufeinander angeordnete Trägerplatten mit umlaufendem Rahmen umfasst, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet sind, wobei die Stege der Trägerplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Die weitere Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst von einer Trägerplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen umlaufenden Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet sind.
Die weitere Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst von einer Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit zwei in einer Stapelrichtung aufeinander angeordneten Trägerplatten mit umlaufendem Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet sind, wobei die Stege der Trägerplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten, wobei im Plattenstapel wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen, getrennt sind; und wobei wenigstens eine Kanalplatte zwei in Stapelrichtung aufeinander angeordnete Trägerplatten mit umlaufendem Rahmen umfasst. Dabei sind zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet, wobei die Stege der Trägerplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Günstigerweise kann in einer Gruppe von Strömungskanälen feuchtes oder wasserreiches Fluid strömen, beispielsweise Abgas von Brennstoffzellen, während in der anderen Gruppe von Strömungskanälen trockenes Fluid, beispielsweise Luft, strömen kann. Über die Membran kann das trockene Fluid von dem anderen Fluid befeuchtet werden.
Die vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung kann beispielsweise eine vorteilhafte Ausführungsform eines Flachmembranbefeuchters sein. Dabei wird insbesondere der Strömungskanal für das Abgas des Brennstoffzellensystems aus zwei Trägerplatten gebildet. Die Ausführung der Trägerplatten ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Trägerplatten treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur Membran hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden.
Günstigerweise können die Stege einstückig mit einer Trägerplatte ausgebildet sein und in einem gemeinsamen Herstellprozess, beispielsweise im Spritzgussverfahren, hergestellt sein.
Die Stege können vorteilhaft äquidistant zueinander angeordnet sein. Jedoch können Winkel, Abstand und Breite der Stege durchaus variieren. Ein Querschnitt der Stege kann beispielsweise rechteckförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Kanten, oder rund ausgebildet sein. Vorteilhaft können sich beispielsweise rechteckförmige Stege von aufeinander gestapelten Trägerplatten gegeneinander abstützen, um so einen Druck der auf ihnen lastenden semipermeablen Lage zu tragen.
In einer alternativen Ausführungsform kann auch der Strömungskanal für die Zuluft des Brennstoffzellensystems mit Stegen zur Strömungsbeeinflussung versehen werden.
Vorteilhaft ist bei der vorgeschlagenen Befeuchtungseinrichtung im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem jede Gruppe von Strömungskanälen in einer eigenen Kanalplatte angeordnet ist, nur die halbe Plattenanzahl notwendig, da die beiden Gruppen von Strömungskanälen in bzw. an einer Trägerplatte ausgebildet sind. Entsprechend weist die Befeuchtungseinrichtung einen geringeren Durchflusswiderstand auf. Ebenso sind weniger Fügestellen für die Trägerplatten im Plattenstapel notwendig. Jede Trägerplatte mit Membran ist einzeln in der Produktion prüfbar, was insgesamt zu einem geringeren Ausschussrisiko an Trägerplatten führt, da defekte Trägerplatten vor dem Zusammenfügen zu einem Plattenstapel erkannt und aussortiert werden können.
Die Stapelrichtung der Kanalplatten kann gerade sein, so dass der Plattenstapel von Kanalplatten quaderförmig ausgebildet ist, bei dem die beiden Zuströmbereiche für Zuluft und Abgas als zwei aufeinander senkrecht stehende Seitenflächen des Quaders ausgebildet sind. Die Stapelrichtung kann jedoch prinzipiell auch in Form eines Kreises oder Bogens ausgebildet sein, so dass sich als Anordnung der Kanalplatten beispielsweise ein Hohlzylinder ergibt, bei dem ein Zuströmbereich als Wand des Hohlzylinders ausgebildet ist, und ein Zuströmbereich als eine Stirnfläche des Hohlzylinders.
Günstigerweise kann die als Membran ausgebildete semipermeable Lage aus einem mikroporösen Material gebildet sein. Die Mikroporen im Material erlauben einen Feuchtetransport durch die Membran. Vorteilhaft kann der Feuchtetransport mittels Kapillarwirkung im mikroporösen Material erfolgen. Insbesondere kann die Membran aus PFSA gebildet sein. PFSA ist ein Kunststoff aus Perfluorosulfonsäure und unter anderem unter dem Markennamen Nafion bekannt. Die Membran kann zu beiden Seiten poröse Lagen, insbesondere Vlieslagen, zum Schutz und zur mechanischen Stabilisierung aufweisen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die wenigstens eine Kanalplatte zwei identische Trägerplatten umfassen, welche entlang einer Längsachse um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse um 180° gedrehte Anordnung der Trägerplatten kommen die Innenseiten mit den Stegen in der Kanalplatte unmittelbar aufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung der Kanalplatte, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases auf die trockene Zuluft. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Trägerplatten erreicht werden kann, sodass für die Herstellung der Kanalplatte nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Trägerplatte nötig ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann eine erste Art von Kanalplatten beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage abgeschlossen sein, welche auf einer Außenseite der jeweiligen Trägerplatte angeordnet ist. Dabei können die Stege an der Innenseite der jeweiligen Trägerplatte angeordnet sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft das Strömungsverhalten eines im Inneren der Kanalplatte geführten Abgasstroms beeinflusst werden, indem durch die kreuzweise Verrippung mittels der Stege eine Verwirbelung des Abgasstroms durch Erzeugen von Turbulenzen, insbesondere durch häufige Richtungswechsel der Strömung bewirkt wird.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die erste Gruppe von Strömungskanälen zwischen Außenseiten der semipermeablen Lagen von in Stapelrichtung aufeinanderfolgenden Kanalplatten angeordnet sein und die zweite Gruppe von Strömungskanälen zwischen Innenseiten der beidseitigen semipermeablen Lagen der wenigstens einen Kanalplatte angeordnet sein und von den semipermeablen Lagen in Stapelrichtung begrenzt sein. Dadurch kann eine effiziente Strömungsführung von Abgas und Zuluft des Brennstoffzellensystems herbeigeführt werden. Außerdem kann der Feuchteübertrag vom Abgas auf die Zuluft auf diese Weise effizienter gestaltet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann die jeweilige Trägerplatte eine Aufnahmefläche für die semipermeable Lage aufweisen, wobei die Aufnahmefläche an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt aufweist, der höher als die Aufnahmefläche mit darauf angeordneter Membran ausgebildet ist. Werden die Trägerplatten aufeinander gelegt, bildet sich zwischen den Trägerplatten mit darauf angeordneter Membran automatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüberliegenden Seiten durch die Außenseiten der Membranen der in Stapelrichtung aufeinander folgender Trägerplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Trägerplatte mit darauf angeordneter Membran gebildet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die beiden Gruppen von Strömungskanälen schräg oder quer zueinander verlaufen. Insbesondere kann der Strömungskanal zwischen den Außenseiten von semipermeablen Lagen der in Stapelrichtung aufeinander folgenden Kanalplatten erheblich schmaler ausgebildet sein, insbesondere höchstens halb so breit, als eine Breite des Strömungskanals mit der größten Breite der Strömungskanäle zwischen den Innenseiten der beidseitigen semipermeablen Lagen der Kanalplatte. Insbesondere kann dabei zwischen den Außenseiten von in Stapelrichtung aufeinanderfolgenden semipermeablen Lagen ein einziger Strömungskanal ausgebildet sein. Der Strömungskanal kann einfach durch Aufeinanderlegen von Trägerplatten gebildet werden. Vorteilhaft können die Strömungskanäle zwischen den Innenseiten der Membranen gleichartig und äquidistant ausgebildet sein. Insbesondere können diese Strömungskanäle parallel zueinander verlaufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können die Kanalplatten bis auf Zuström- oder Abströmbereiche fluiddicht miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Kanalplatten an den Rahmen der Trägerplatten miteinander verbunden sein, insbesondere miteinander verschweißt oder verklebt sein. Auf diese Weise lässt sich eine zuverlässige fluiddichte Verbindung zwischen den Trägerplatten und ein praktisch leckagefreier Plattenstapel mit Trägerplatten herstellen. Gleichzeitig kann der Plattenstapel mechanisch sehr stabil und robust sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung kann eine zweite Art von Kanalplatten frei von semipermeablen Lagen ausgebildet sein. Mit dieser zweiten Art von Kanalplatten lassen sich vorteilhaft Strömungskanäle beispielsweise für die Zuluft ausführen, welche ebenfalls eine wirksame Strömungsbeeinflussung durch Erzeugen von Turbulenzen aufweisen und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können in Stapelrichtung Kanalplatten der ersten Art alternierend mit Kanalplatten der zweiten Art angeordnet sein. Durch die alternierende Anordnung der beiden Arten von Kanalplatten, indem nämlich eine Kanalplatte mit semipermeablen Lagen und eine Kanalplatte ohne semipermeable Lagen jeweils wechselweise aufeinander gestapelt werden, lassen sich beispielsweise vorteilhaft Strömungskanäle für die Zuluft ausführen, welche ebenfalls eine wirksame Strömungsbeeinflussung durch Erzeugen von Turbulenzen aufweisen und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Trägerplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend einen umlaufenden Rahmen, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet sind.
Die Ausführung der Trägerplatten ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Trägerplatten beim Zusammenbau einer Kanalplatte treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur Membran hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden.
Die Trägerplatte kann vorteilhaft aus Kunststoff, insbesondere Polyphenylensulfid oder faserverstärktem Polyphenylensulfid gebildet sein. Die Trägerplatte kann beispielsweise gespritzt oder geprägt sein. Der Einsatz anderer Kunststoffe ist möglich, sofern die Kunststoffe eine möglichst geringe Wasseraufnahme, und keine lonenabgabe aufweisen und außerdem temperaturbeständig sind.
Günstigerweise kann zumindest der Rand der Trägerplatte aus Kunststoff gebildet sein, insbesondere aus Polyphenylensulfid oder faserverstärktem Polyphenylensulfid.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Trägerplatte können wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene vorgesehen sein, in denen die Stege spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die Fertigung der Trägerplatte, insbesondere durch Kunststoff-Spritzgießen vorteilhaft gestalten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Trägerplatte kann der umlaufende Rahmen eine Aufnahmefläche für eine semipermeable Lage umgeben. Insbesondere können zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegende Randabschnitte höher ausgebildet sein als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte. Insbesondere können dabei zwei gegenüberliegende Randabschnitte zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche in einer Stapelrichtung mit einem Überstand überstehen. Der Überstand der Randabschnitte über die Aufnahmefläche ist zweckmäßigerweise so groß, dass auch mit auf der Aufnahmefläche angeordneter Membran noch ein Überstand des Randes über die Membran vorhanden ist. Werden die Trägerplatten aufeinander gelegt, bildet sich zwischen den Trägerplatten mit darauf angeordneter Membran automatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüberliegenden Seiten durch die Außenseiten der Membranen der in Stapelrichtung aufeinander folgender Trägerplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Trägerplatte mit darauf angeordneter Membran gebildet.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, mit zwei in einer Stapelrichtung aufeinander angeordneten Trägerplatten mit umlaufendem Rahmen. Dabei sind zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens schräg verlaufende Stege angeordnet, wobei die Stege der Trägerplatten sich in Stapelrichtung gesehen kreuzen.
Die Ausführung der Trägerplatten ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Trägerplatten beim Zusammenbau einer Kanalplatte treffen die Stege aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal. Die Stege können das jeweilige Fluid zur Membran hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung gesteigert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Kanalplatte zwei identische Trägerplatten umfassen, welche entlang einer Längsachse um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse um 180° gedrehte Anordnung der Trägerplatten kommen die Innenseiten mit den Stegen in der Kanalplatte unmittelbar aufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung der Kanalplatte, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases auf die trockene Zuluft. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Trägerplatten erreicht werden kann, sodass für die Herstellung der Kanalplatte nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Trägerplatte nötig ist.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Kanalplatte kann der jeweilig umlaufende Rahmen einer Trägerplatte eine Aufnahmefläche für eine semipermeable Lage umgeben. Insbesondere können zwei sich an der Aufnahmefläche gegenüberliegende Randabschnitte höher ausgebildet sein als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte. Insbesondere können dabei zwei gegenüberliegende Randabschnitte zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche in einer Stapelrichtung mit einem Überstand überstehen. Werden die Trägerplatten aufeinander gelegt, bildet sich zwischen den Trägerplatten mit darauf angeordneter Membran automatisch durch den Höhenunterschied zwischen Randabschnitt und Aufnahmefläche ein Strömungskanal. Dieser Strömungskanal wird an zwei gegenüberliegenden Seiten durch die Außenseiten der Membranen der in Stapelrichtung aufeinander folgender Trägerplatten und an den beiden anderen Seiten durch den Überstand des Randabschnitts über der Aufnahmefläche der Trägerplatte mit darauf angeordneter Membran gebildet.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung können in der Stapelrichtung Kanalplatten angeordnet sein, die keine Stege oder eine sonstige Gestaltung zur Beeinflussung der Strömung aufweisen. Die Strömung kann in dieser Ausgestaltung mittels eines separaten Einlegteils beeinflusst werden. Wenigstens ein Einlegeteil kann beispielsweise Stege aufweisen, die vorteilhaft Strömungskanäle für die Zuluft ausführen. In einer besonderen Ausführung kann durch die Anordnung mehrerer Einlegeile eine Kreuzverrippung erzeugt werden und dadurch die Effizienz der Befeuchtungseinrichtung erhöhen werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine Trägerplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung;
2 die Trägerplatte nach 1 ohne die semipermeable Lage;
3 eine Kanalplatte für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung;
4 die Kanalplatte nach 3 ohne die semipermeable Lage;
5 einen vergrößerten Ausschnitt der Kanalplatte nach 4;
6 die Kanalplatte nach 3 in längsgeschnittener Darstellung;
7 die Kanalplatte nach 4 in längsgeschnittener Darstellung;
8 einen Plattenstapel einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung;
9 einen Plattenstapel einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung; und
10 einer Befeuchtungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine Trägerplatte 12 für eine Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung, während 2 die Trägerplatte 12 ohne die semipermeable Lage zeigt.
Die Trägerplatte 12 umfasst einen umlaufenden Rahmen 14, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 14 schräg verlaufende Stege 16 angeordnet sind, wie in 2 zu erkennen ist.
Dabei können wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene 28 vorgesehen sein, wie bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, in denen die Stege 16 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Dieses kann aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein.
Der umlaufende Rahmen 14 umgibt eine Aufnahmefläche 18 für eine semipermeable Lage 30, beispielsweise eine Membran 32. Die Membran 32 kann auf die Aufnahmefläche 18 beispielsweise aufgeklebt sein.
Die Aufnahmefläche 18 weist an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt 26 auf, der höher als die Aufnahmefläche 18 mit darauf angeordneter Membran 32 ausgebildet ist
Die zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegenden Randabschnitte 26 sind höher ausgebildet als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte 24. Insbesondere können die zwei gegenüberliegenden Randabschnitte 26 zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche 18 in einer Stapelrichtung 40 mit einem Überstand 34 überstehen. Auf diese Weise können beim Aufeinanderstapeln von Trägerplatten 12 Strömungskanäle ausgebildet werden.
3 zeigt eine Kanalplatte 10 für eine Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung, während in 4 die Kanalplatte 10 nach 3 ohne die semipermeable Lage 30 dargestellt ist. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Kanalplatte 10.
Die Kanalplatte 10 weist zwei in einer Stapelrichtung 40 aufeinander angeordnete Trägerplatten 12 mit umlaufendem Rahmen 14 auf. Die zwei Trägerplatten 12 sind jeweils mit ihrer Innenseite 44 zueinander aufeinander gelegt.
Die wenigstens eine Kanalplatte 10 umfasst dabei zwei identische Trägerplatten 12, welche entlang einer Längsachse L um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind. Durch die entlang der Längsachse L um 180° gedrehte Anordnung der Trägerplatten 12 kommen die Innenseiten 44 mit den Stegen 16 in der Kanalplatte 10 unmittelbar aufeinander liegend zur Anordnung. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine Kreuzverrippung der Kanalplatte 10, welche für eine Strömungsführung beispielsweise des Abgases 64 vorteilhaft in Bezug auf die Verwirbelung des Abgases 64 und damit auf die Übertragung der Feuchtigkeit des Abgases 64 auf die trockene Zuluft 66. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Anordnung mit identischen Trägerplatten 12 erreicht werden kann, sodass für die Herstellung der Kanalplatte 10 nur ein Werkzeug für die Fertigung der einen Trägerplatte 12nötig ist.
Der jeweilig umlaufende Rahmen 14 der Trägerplatten 12 umgibt eine Aufnahmefläche 18 für eine semipermeable Lage 30, beispielsweise eine feuchtedurchlässige Membran 32. Insbesondere sind dabei zwei sich an der Aufnahmefläche 18 gegenüberliegende Randabschnitte 26 höher ausgebildet als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte 24. Die zwei gegenüberliegenden Randabschnitte 26 stehen zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche 18 in einer Stapelrichtung 40 mit einem Überstand 34 über, sodass sich bei in Stapelrichtung 40 aufeinander gestapelten Kanalplatten Strömungskanäle 54 ausbilden können.
Zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens 14 sind schräg verlaufende Stege 16 angeordnet, welche in 4 mit entfernter semipermeabler Lage 30 erkennbar sind, wobei die Stege 16 der aufeinander gestapelten Trägerplatten 12 sich in Stapelrichtung 40 gesehen kreuzen.
Die Kanalplatte 10 weist einen Strömungskanal 52 auf, welcher durch die aufeinander gelegten Trägerplatten 12 ausgebildet ist und im Inneren der beiden Trägerplatten 12 verläuft. Der Strömungskanal 52 kann beispielsweise für das Abgas 64 genutzt werden.
Werden zwei Kanalplatten 10 aufeinander gestapelt, dann wird ein weiterer Strömungskanal 54 ausgebildet, der senkrecht zu dem ersten Strömungskanal 52 verläuft und jeweils zwischen den Membranen 32 der zwei aufeinander gelegten Kanalplatten 10 verläuft. Der weitere Strömungskanal 54 kann beispielsweise für die Zuluft 66 des Brennstoffzellensystems genutzt werden.
Dabei ist der jeweilige Zuströmbereich 46 der beiden Strömungskanäle 52, 54 jeweils in der Bildebene vorne ausgebildet, während der Abströmbereich 48 in Bildebene hinten ausgebildet ist.
In der vergrößerten Darstellung in 5 sind die über Kreuz angeordneten Stege 16 auf der Innenseite 44 der beiden aufeinander angeordneten Trägerplatten 12 erkennbar.
6 zeigt die Kanalplatte 10 nach 3 in längsgeschnittener Darstellung, während in 7 die Kanalplatte 10 mit entfernter semipermeabler Lage 30 dargestellt ist.
Die Ausführung der Trägerplatten 12 ist so gestaltet, dass schräg verlaufende Stege 16 im Strömungsbereich verlaufen. Durch den gespiegelten bzw. um 180° gedrehten Verbau der Trägerplatten 12 treffen die Stege 16 aufeinander und kreuzen sich dadurch. Die dadurch entstandene Kreuzverrippung auf zwei Ebenen führt zu einer wellenförmigen Strömungsbewegung im Strömungskanal 52. Die Stege 16 können das jeweilige Fluid zur Membran 32 hin lenken und so beispielsweise einen Feuchteübertrag zwischen den beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 verbessern. Durch diese gezielte Strömungsbeeinflussung kann ein besserer Stoffübertag, insbesondere Feuchteübertrag erreicht und dadurch die Leistungsfähigkeit der Befeuchtungseinrichtung 100 gesteigert werden.
In der geschnittenen Darstellung sind die jeweils gekreuzten, übereinander angeordneten Stege 16 der beiden aufeinander gestapelten Trägerplatten 12 erkennbar.
Die Stege 16 können vorteilhaft äquidistant zueinander angeordnet sein. Jedoch können Winkel, Abstand und Breite der Stege 16 durchaus variieren. Ein Querschnitt der Stege 16 kann beispielsweise rechteckförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Kanten, oder rund ausgebildet sein. Vorteilhaft können sich beispielsweise rechteckförmige Stege 16 von aufeinander gestapelten Trägerplatten 12 gegeneinander abstützen, um so einen Druck der auf ihnen lastenden semipermeablen Lage 30 zu tragen. Zwischen den sich gegenüber liegenden Stegen 16 kann jedoch aus strömungstechnischen Gründen auch ein dünner Spalt ausgebildet sein.
8 zeigt einen Plattenstapel 50 einer Befeuchtungseinrichtung 100, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung, während in 9 der komplette Plattenstapel 50 dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 100 weist eine Mehrzahl von in einem Plattenstapel 50 in einer Stapelrichtung 40 aufeinander folgenden Kanalplatten 10, 20 auf, wie sie in den 3 bis 7 dargestellt sind. Im Plattenstapel 50 sind wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 ausgebildet, welche durch semipermeable Lagen 30, insbesondere feuchtedurchlässige Lagen 30, getrennt sind. Dabei umfasst eine Kanalplatte 10, 20 zwei in Stapelrichtung 40 aufeinander angeordnete Trägerplatten 12 mit umlaufendem Rahmen 14, wie in den 1 und 2 dargestellt. Zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens 14 sind schräg verlaufende Stege 16 angeordnet, wobei die Stege 16 der Trägerplatten 12 sich in Stapelrichtung 40 gesehen kreuzen, wie in den 4, 5 und 7 erkennbar ist.
Eine erste Art von Kanalplatten 10, wie in 4 erkennbar, ist beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage 30 abgeschlossen, welche auf einer Außenseite 42 der jeweiligen Trägerplatte 12 angeordnet ist. Dabei sind die Stege 16 an der Innenseite 44 der jeweiligen Trägerplatte 12 angeordnet.
Die jeweilige Trägerplatte 12 weist eine Aufnahmefläche 18 für die semipermeable Lage 30 auf.
Die erste Gruppe von Strömungskanälen 52 ist zwischen den Außenseiten 42 der semipermeablen Lagen 30 von in Stapelrichtung 40 aufeinanderfolgenden Kanalplatten 10 angeordnet und die zweite Gruppe von Strömungskanälen 54 ist zwischen Innenseiten 44 der beidseitigen semipermeablen Lagen 30 der wenigstens einen Kanalplatte 10, 20 angeordnet und von den semipermeablen Lagen 30 in Stapelrichtung 40 begrenzt.
Die beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 verlaufen quer zueinander. Insbesondere kann der Strömungskanal 54 zwischen den Außenseiten 42 von semipermeablen Lagen 30 der in Stapelrichtung 40 aufeinander folgenden Kanalplatten 10 erheblich schmaler ausgebildet sein, beispielsweise höchstens halb so breit, als eine Breite des Strömungskanals 52 mit der größten Breite der Strömungskanäle 52 zwischen den Innenseiten 44 der beidseitigen semipermeablen Lagen 30 der Kanalplatte 10. In einer alternativen Ausführung kann zwischen den Außenseiten 42 von in Stapelrichtung 40 aufeinanderfolgenden semipermeablen Lagen 30 ein einziger Strömungskanal 52 ausgebildet sein.
Die aufeinander gestapelten Kanalplatten 10 sind bis auf Zuström- oder Abströmbereiche 46, 48 fluiddicht miteinander verbunden. Insbesondere sind die Kanalplatten 10 an den Rahmen 14 der Trägerplatten 12 beispielsweise miteinander verschweißt oder verklebt.
In einer alternativen Ausgestaltung kann eine zweite Art von Kanalplatten 20 frei von semipermeablen Lagen 30 ausgebildet sein. Damit können Plattenstapel 50 gebildet werden, indem in Stapelrichtung 40 Kanalplatten 10 der ersten Art alternierend mit Kanalplatten 20 der zweiten Art angeordnet sind, indem nämlich eine Kanalplatte 10 mit semipermeablen Lagen 30 und eine Kanalplatte 20 ohne semipermeable Lagen 30 jeweils wechselweise aufeinander gestapelt werden. So können zusätzlich zu den mit Stegen 16 verrippten Strömungskanälen 52 der ersten Gruppe auch vorteilhaft Strömungskanäle 54 der zweiten Gruppe gebildet werden, die ebenfalls Verrippungen mit Stegen 16 aufweisen, welche für zusätzliche Verwirbelungen und erhöhter Turbulenzbildung des strömenden Fluids beitragen.
10 zeigt eine Befeuchtungseinrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.
In 10 ist eine Außenansicht der Befeuchtungseinrichtung 100 dargestellt. Die Befeuchtungseinrichtung 100 umfasst das Gehäuse 102 mit einem Eingang 104 und einem Ausgang 106 für ein erstes Fluid, beispielsweise Abgas von Brennstoffzellen, und einen Eingang 108 und einen Ausgang 110 für ein zweites Fluid, beispielsweise Luft als Reaktionsmedium für Brennstoffzellen. In der Befeuchtungseinrichtung 100 erfolgt ein Feuchteübertrag vom ersten Fluid auf das zweite Fluid.
Im Gehäuse 102 ist ein quaderförmiger Plattenstapel 50, wie in 9 dargestellt, angeordnet, bei dem Trägerplatten 10 in einer Stapelrichtung 40 aufeinander folgen. Der Plattenstapel 50 ist an seinen Stirnseiten mit einer umlaufenden Dichtung 68 gegen das Gehäuse 102 abgedichtet.
Das erste Fluid, beispielsweise feuchtes Abgas insbesondere einer Brennstoffzelle, gelangt über den in der 10 unten am Gehäuse 102 angeordneten Eingang 104 in das Gehäuse 102 und strömt durch Strömungskanäle 52 durch den Plattenstapel 50, in der 9 von vorne in die Bildebene hinein, und gibt Feuchtigkeit ab. Die Strömungskanäle 52 gehen von der dem Eingang 104 nahen Außenseite des Plattenstapels 50 aus in den Plattenstapel 50 hinein und treten durch den in der 10 unten am Gehäuse 102 angeordneten Ausgang 106 aus dem Gehäuse 102 aus.
Das zweite Fluid, beispielsweise trockene Luft insbesondere für eine Brennstoffzelle, gelangt über den in der 10 vorne seitlich am Gehäuse 102 angeordneten Eingang 108 in das Gehäuse 102 und strömt durch Strömungskanäle 54 durch den Plattenstapel 50, in der 9 von links nach rechts, und nimmt Feuchtigkeit auf. Die Strömungskanäle 54 gehen von der dem Eingang 108 nahen Außenseite des Plattenstapels 50 aus in den Plattenstapel 50 hinein und treten durch den in der 10 hinten am Gehäuse 102 angeordneten Ausgang 110 aus dem Gehäuse 102 aus.
Die beiden Gruppen von Strömungskanälen 52, 54 sind in einer Kreuzstrom-Anordnung vorgesehen, d.h. die Richtungen der Strömungskanäle 52, 54 sind schräg oder senkrecht zueinander angeordnet.
Bezugszeichenliste

10: Kanalplatte
12: Trägerplatte
14: Rahmen
16: Steg
18: Aufnahmefläche
20: Kanalplatte
24: Randabschnitt
26: Randabschnitt
28: Plattenebene
30: semipermeable Lage
32: Membran
34: Überstand
40: Stapelrichtung
42: Außenseite
44: Innenseite
46: Zuströmbereich
48: Abströmbereich
50: Plattenstapel
52: Strömungskanal
54: Strömungskanal
64: Abgas
66: Zuluft
68: Dichtung
100: Befeuchtungseinrichtung
102: Gehäuse
104: Eingang Fluid 1 Abgas
106: Ausgang Fluid 1
108: Eingang Fluid 2 Luft
110: Ausgang Fluid 2
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016224478 A1 [0002]

Claims

Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel (50) in einer Stapelrichtung (40) aufeinander folgenden Kanalplatten (10, 20), wobei im Plattenstapel (50) wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen (52, 54) ausgebildet sind, welche durch semipermeable Lagen (30), insbesondere feuchtedurchlässige Lagen (30), getrennt sind; wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei in Stapelrichtung (40) aufeinander angeordnete Trägerplatten (12) mit umlaufendem Rahmen (14) umfasst, wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg verlaufende Stege (16) angeordnet sind, wobei die Stege (16) der Trägerplatten (12) sich in Stapelrichtung (40) gesehen kreuzen.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Kanalplatte (10, 20) zwei identische Trägerplatten (12) umfasst, welche entlang einer Längsachse (L) um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind.
Befeuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine erste Art von Kanalplatten (10) beidseitig mit jeweils einer semipermeablen Lage (30) abgeschlossen ist, welche auf einer Außenseite (42) der jeweiligen Trägerplatte (12) angeordnet ist und wobei die Stege (16) an der Innenseite (44) der jeweiligen Trägerplatte (12) angeordnet sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Gruppe von Strömungskanälen (52) zwischen Außenseiten (42) der semipermeablen Lagen (30) von in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden Kanalplatten (10) angeordnet ist und die zweite Gruppe von Strömungskanälen (54) zwischen Innenseiten (44) der beidseitigen semipermeablen Lagen (30) der wenigstens einen Kanalplatte (10, 20) angeordnet ist und von den semipermeablen Lagen (30) in Stapelrichtung (40) begrenzt ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Trägerplatte (12) eine Aufnahmefläche (18) für die semipermeable Lage (30) aufweist, wobei die Aufnahmefläche (18) an wenigstens zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Randabschnitt (26) aufweist, der höher als die Aufnahmefläche (18) mit darauf angeordneter Membran (32) ausgebildet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Gruppen von Strömungskanälen (52, 54) schräg oder quer zueinander verlaufen, insbesondere wobei der Strömungskanal (54) zwischen den Außenseiten (42) von semipermeablen Lagen (30) der in Stapelrichtung (40) aufeinander folgenden Kanalplatten (10) erheblich schmaler ausgebildet ist, insbesondere höchstens halb so breit, als eine Breite des Strömungskanals (52) mit der größten Breite der Strömungskanäle (52) zwischen den Innenseiten (44) der beidseitigen semipermeablen Lagen (30) der Kanalplatte (10), insbesondere wobei zwischen den Außenseiten (42) von in Stapelrichtung (40) aufeinanderfolgenden semipermeablen Lagen (30) ein einziger Strömungskanal (52) ausgebildet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kanalplatten (10) bis auf Zuström- oder Abströmbereiche (46, 48) fluiddicht miteinander verbunden sind, insbesondere an den Rahmen (14) der Trägerplatten (12) miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verschweißt oder verklebt sind.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite Art von Kanalplatten (20) frei von semipermeablen Lagen (30) ausgebildet ist.
Befeuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Stapelrichtung (40) Kanalplatten (10) der ersten Art alternierend mit Kanalplatten (20) der zweiten Art angeordnet sind.
Trägerplatte (12) für eine Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen umlaufenden Rahmen (14), wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des Rahmens (14) schräg verlaufende Stege (16) angeordnet sind.
Trägerplatte nach Anspruch 10, wobei wenigstens zwei Bereiche in einer Plattenebene (28) vorgesehen sind, in denen die Stege (16) spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Trägerplatte nach Anspruch 10 oder 11, wobei der umlaufende Rahmen (14) eine Aufnahmefläche (18) für eine semipermeable Lage (30) umgibt, insbesondere wobei zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegende Randabschnitte (26) höher ausgebildet sind als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte (24), insbesondere wobei zwei gegenüberliegende Randabschnitte (26) zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche (18) in einer Stapelrichtung (40) mit einem Überstand (34) überstehen.
Kanalplatte (10, 20) für eine Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit zwei in einer Stapelrichtung (40) aufeinander angeordneten Trägerplatten (12) mit umlaufendem Rahmen (14), wobei zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten des jeweiligen Rahmens (14) schräg verlaufende Stege (16) angeordnet sind, wobei die Stege (16) der Trägerplatten (12) sich in Stapelrichtung (40) gesehen kreuzen.
Kanalplatte nach Anspruch 13, umfassend zwei identische Trägerplatten (12), welche entlang einer Längsachse (L) um 180° gedreht aufeinander liegend angeordnet sind.
Kanalplatte nach Anspruch 13 oder 14, wobei der jeweilig umlaufende Rahmen (14) der Trägerplatte (12) eine Aufnahmefläche (18) für eine semipermeable Lage (30) umgibt, insbesondere wobei zwei sich an der Aufnahmefläche (18) gegenüberliegende Randabschnitte (26) höher ausgebildet sind als die anderen beiden gegenüberliegenden Randabschnitte (24), insbesondere wobei zwei gegenüberliegende Randabschnitte (26) zu beiden Seiten über die Aufnahmefläche (18) in einer Stapelrichtung (40) mit einem Überstand (34) überstehen.