DE102022112011A1

DE102022112011A1 - Humidifier stack, especially for a fuel cell system and humidification device

Info

Publication number: DE102022112011A1
Application number: DE102022112011.2A
Authority: DE
Inventors: Herbert Jainek
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchterstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Rahmenplatten, in dem eine erste Gruppe von Kanälen, die Feuchtgaskanäle umfasst, und eine zweite Gruppe von Kanälen, die Trockengaskanäle umfasst, ausgebildet sind. Die Rahmenplatte ist mit einer zumindest teilweise umlaufenden Dichtung versehen, die gegenüber einer benachbarten Membran abdichtet. Die umlaufende Dichtung umfasst zumindest zwei Strömungskanaldichtungsabschnitte, die an zumindest zwei Umfangskanten einer von der Membran aufgespannten Feuchteübertragungsfläche an einer ersten Oberfläche der Membran anliegen, wobei an zumindest zwei anderen Umfangskanten der von der Membran aufgespannten Feuchteübertragungsfläche an der ersten Oberfläche keine Strömungskanaldichtungsabschnitten anliegen. Ferner wird eine Befeuchtungseinrichtung offenbart.The present invention relates to a humidifier stack for a humidification device, in particular for a fuel cell system, with a plurality of frame plates which follow one another in a stacking direction in a plate stack, in which a first group of channels, which comprises wet gas channels, and a second group of channels, which include dry gas channels includes, are trained. The frame plate is provided with an at least partially circumferential seal that seals against an adjacent membrane. The circumferential seal comprises at least two flow channel sealing sections which rest on at least two peripheral edges of a moisture transfer surface spanned by the membrane on a first surface of the membrane, with no flow channel sealing sections abutting on at least two other peripheral edges of the moisture transfer surface spanned by the membrane on the first surface. Furthermore, a humidification device is disclosed.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchterstapel, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem und eine Befeuchtungseinrichtung.The present invention relates to a humidifier stack, in particular for a fuel cell system and a humidification device.

Stand der TechnikState of the art

Befeuchtungseinrichtungen für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt, wobei zwischen den zwei grundlegenden Technologien der Hohlfaserbefeuchter auf der einen Seite und der Flachmembranbefeuchter auf der anderen Seite unterschieden wird.Humidification devices for fuel cell systems are known from the prior art in various designs, with a distinction being made between the two basic technologies of the hollow fiber humidifier on the one hand and the flat membrane humidifier on the other hand.

Eine Befeuchtungseinrichtung ist ein unerlässlicher Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, da dieser sicherstellt, dass eine im Brennstoffzellenstack eingesetzte Elektrolytmembran stets im befeuchteten Zustand vorliegt, sodass sich die Elektrolyte darin in einem hydratisierten Zustand befinden. Ist die Elektrolytmembran des Brennstoffzellensystems nicht feucht genug, geht die Leitfähigkeit des Elektrolyts zurück, was die Leistung der Brennstoffzelle schmälert. Um einen Brennstoffzellenstack mit optimaler Leistung und/oder optimalen Wirkungsgrad zu betreiben, ist daher eine Befeuchtungseinrichtung eine Kernkomponente.A humidification device is an essential component of a fuel cell system, as it ensures that an electrolyte membrane used in the fuel cell stack is always in a humidified state, so that the electrolytes therein are in a hydrated state. If the electrolyte membrane of the fuel cell system is not moist enough, the conductivity of the electrolyte decreases, which reduces the performance of the fuel cell. In order to operate a fuel cell stack with optimal performance and/or optimal efficiency, a humidification device is therefore a core component.

Allen bekannten Befeuchtungseinrichtungen ist gemein, dass diese einen zum Brennstoffzellenstack geführten trockenen Kathodenluftstrom dadurch befeuchten, dass diesem trockenen Luftstrom Feuchtigkeit aus einem von der Brennstoffzelle kommenden feuchten Abgasluftstrom zugeführt wird. In der Regel wird der zum Brennstoffzellenstack führende trockene Luftstrom und der vom Brennstoffzellenstack kommende feuchte Luftstrom im Kreuzstrom oder Gegenstrom über eine feuchtigkeitsdurchlässige Membrane geführt, an der der Feuchteübertrag stattfindet.What all known humidification devices have in common is that they humidify a dry cathode air stream led to the fuel cell stack by supplying this dry air stream with moisture from a moist exhaust gas air stream coming from the fuel cell. As a rule, the dry air flow leading to the fuel cell stack and the moist air flow coming from the fuel cell stack are guided in cross-current or counter-current over a moisture-permeable membrane to which the moisture transfer takes place.

Bekannte Flachmembranbefeuchter weisen eine Vielzahl gestapelter Rahmenplatten auf, die eine Mehrzahl von Trockengas- und Feuchtgaskanälen ausbilden, die jeweils durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membrane getrennt sind.Known flat membrane humidifiers have a plurality of stacked frame plates which form a plurality of dry gas and wet gas channels, each of which is separated by a moisture-permeable membrane.

Die Membrane ist herbei in der Regel mit den jeweiligen Rahmenplatten fest verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt.The membrane is usually firmly connected to the respective frame plates, for example glued or welded.

Derartige Befeuchtungseinrichtungen sind beispielsweise aus DE 10 2016 014 895 A1 und DE 10 2019 123 534 A1 bekannt.Such humidification devices are available, for example DE 10 2016 014 895 A1 and DE 10 2019 123 534 A1 known.

Da im Betrieb der Befeuchtungseinrichtung in einem Brennstoffzellensystem sowohl hohe thermische (in Form der im Abgasstrom enthaltenen Wärmeenergie) als auch mechanische Belastungen (in Form eines über die Membranoberfläche angreifenden Druckgradienten) auftreten, stellt die Verbindung der Membrane mit den Rahmenplatten einen potentiellen Schwachpunkt dar, der zu einem vorzeitigen Ausfall der Befeuchtungseinrichtung führen kann. Erschwert wird genannte Problematik noch durch im Betrieb unter bestimmten Bedingungen auftretende Druckspitzen.Since both high thermal (in the form of the heat energy contained in the exhaust gas stream) and mechanical loads (in the form of a pressure gradient acting across the membrane surface) occur during the operation of the humidification device in a fuel cell system, the connection of the membrane to the frame plates represents a potential weak point can lead to premature failure of the humidification system. The above-mentioned problem is made even more difficult by pressure peaks that occur during operation under certain conditions.

Ferner besteht bei bekannten Befeuchtungseinrichtungen, die auf eine Direktverbindung der Membrane mit den Rahmenplatten setzen der Nachteil, dass diese Verbindung im Herstellprozess aufwändig und anfällig ist und lückenlose Qualitätskontrollen erfordert.Furthermore, known humidification devices that rely on a direct connection of the membrane to the frame plates have the disadvantage that this connection is complex and fragile in the manufacturing process and requires complete quality controls.

Schließlich kann sich bei bekannten Konzepten eine Toleranzproblematik ergeben: Da ein typischer Befeuchterstapel aus bis zu 300 Stapellagen besteht, summieren sich die Toleranzen in Stapelrichtung auf, was in der Summe zu maßlichen Abweichungen im Millimeterbereich führen kann, die durch Kompensationselemente entsprechend schwer auszugleichen sind.Finally, a tolerance problem can arise with known concepts: Since a typical humidifier stack consists of up to 300 stacking layers, the tolerances add up in the stacking direction, which can lead to dimensional deviations in the millimeter range, which are difficult to compensate for using compensation elements.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Befeuchterstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, zu schaffen, der eine verbesserte thermische und mechanische Belastbarkeit aufweist und daher über längere Zeiträume einen störungsfreien Betrieb ermöglicht und die ferner einfacher und kostengünstiger herstellbar ist als bekannte Befeuchterstapel.An object of the invention is therefore to create a humidifier stack for a humidification device, in particular for a fuel cell system, which has improved thermal and mechanical resilience and therefore enables trouble-free operation over longer periods of time and which is also easier and more cost-effective to produce than known humidifier stacks .

Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchterstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This task is solved by a humidifier stack with the features of independent claim 1.

Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem.Another task is to provide a humidification device, in particular for a fuel cell system.

Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtungseinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 23 und 24 gelöst.This task is solved by a humidification device with the features of independent claims 23 and 24.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.Favorable refinements and advantages of the invention result from the further claims, the description and the drawings.

Der erfindungsgemäße Befeuchterstapel ist für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, ausgebildet. Der Befeuchterstapel weist eine Mehrzahl von in einem Plattenstapel in einer Stapelrichtung aufeinander folgenden Rahmenplatten auf, wobei im Plattenstapel wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet sind, die jeweils durch eine Membran getrennt sind. Eine erste Gruppe von Kanälen umfasst Feuchtgaskanäle und eine zweite Gruppe von Kanälen umfasst Trockengaskanäle. Die Membran ermöglicht einen Feuchteübertrag von einem in dem Feuchtgaskanal geführten Fluidstrom auf einen in dem Trockengaskanal geführten Fluidstrom. An der Membran liegt eine zumindest teilweise umlaufende Dichtung dichtend an, die zumindest abschnittsweise an einer benachbarten Rahmenplatte ausgebildet ist. Die zumindest teilweise umlaufende Dichtung umfasst zumindest zwei Strömungskanaldichtungsabschnitte, die an zumindest zwei Umfangskanten einer von der Membran aufgespannten Feuchteübertragungsfläche an einer ersten Oberfläche der Membran anliegen, wobei an zumindest zwei anderen Umfangskanten der von der Membran aufgespannten Feuchteübertragungsfläche an der ersten Oberfläche keine Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen.The humidifier stack according to the invention is designed for a humidification device, in particular for a fuel cell system. The humidifier stack has a plurality of in one Plate stacks have frame plates following one another in a stacking direction, with at least two groups of flow channels being formed in the plate stack, each of which is separated by a membrane. A first group of channels includes wet gas channels and a second group of channels includes dry gas channels. The membrane enables moisture transfer from a fluid stream conducted in the wet gas channel to a fluid stream conducted in the dry gas channel. An at least partially circumferential seal lies sealingly against the membrane and is formed at least in sections on an adjacent frame plate. The at least partially circumferential seal comprises at least two flow channel sealing sections which rest on at least two peripheral edges of a moisture transfer surface spanned by the membrane on a first surface of the membrane, with no flow channel sealing sections abutting on at least two other peripheral edges of the moisture transfer surface spanned by the membrane on the first surface.

Die Strömungskanaldichtungsabschnitte dichten gegenüber der Membran ab, um in einem von der Membran, der benachbarten Rahmenplatte, einer benachbarten weiteren Membran und den Strömungskanaldichtungsabschnitten umgrenzten Bereich einen der Strömungskanäle auszubilden.The flow channel sealing sections seal against the membrane in order to form one of the flow channels in an area delimited by the membrane, the adjacent frame plate, an adjacent further membrane and the flow channel sealing sections.

Die Rahmenplatten weisen jeweils zumindest ein von einer Plattengrundebene abragendes Abstützelement auf, das sich in einem Bereich der zumindest zwei Umfangskanten der Feuchteübertragungsfläche der Membran, an denen an der ersten Oberfläche keine Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen, an der Membran abstützt, um eine Dichtungsvorspannkraft in die Strömungskanaldichtungsabschnitte einzuleiten. In Ausführungen kann sich das zumindest eine Abstützelement der Rahmenplatte ebenfalls an der ersten Oberfläche der Membran abstützen.The frame plates each have at least one support element projecting from a plate base plane, which is supported on the membrane in an area of the at least two peripheral edges of the moisture transfer surface of the membrane, on which no flow channel sealing sections rest on the first surface, in order to introduce a seal prestressing force into the flow channel sealing sections. In embodiments, the at least one support element of the frame plate can also be supported on the first surface of the membrane.

Die Membrane kann insbesondere eine Folie aus PTFE oder PFSA umfassen. Die Folie ist bevorzugt sandwichsartig zwischen zwei Vlieslagen, insbesondere aus PET, PPS oder PA, gefasst bzw. kaschiert. Der Vorteil dieser Kaschierung besteht darin, dass die Folie, welche sehr dünn und daher schwer zu handhaben und mechanisch wenig belastbar ist, geschützt wird. Darüber hinaus erleichtert das Vlies an der Oberfläche die Befestigung der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung an der Membrane, da die Folie eine sehr glatte Oberfläche aufweist und daher als Angriffspunkt für Fügeverfahren schlecht geeignet ist. Das Vlies hingegen weist eine poröse bzw. raue Struktur auf und ist daher zum Fügen deutlich besser geeignet.The membrane can in particular comprise a film made of PTFE or PFSA. The film is preferably sandwiched between two fleece layers, in particular made of PET, PPS or PA, or laminated. The advantage of this lamination is that the film, which is very thin and therefore difficult to handle and has little mechanical strength, is protected. In addition, the fleece on the surface makes it easier to attach the at least partially circumferential seal to the membrane, since the film has a very smooth surface and is therefore poorly suited as a point of attack for joining processes. The fleece, on the other hand, has a porous or rough structure and is therefore much more suitable for joining.

Die durch den Plattenstapel ausgebildeten Strömungskanäle können in Stapelrichtung (Höhe) Abmessungen von 0,5 mm - 3 mm aufweisen. Die Trockengaskanäle können hierbei eine größere Höhe auf als die Feuchtgaskanäle. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch in den Trockengaskanälen ein geringerer Druckverlust erzeugt wird, was im Systemkontext der Effizienz des Brennstoffzellenstacks zugutekommt, da so der Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks ein möglichst hohes Druckniveau zur Verfügung gestellt werden kann.The flow channels formed by the plate stack can have dimensions of 0.5 mm - 3 mm in the stack direction (height). The dry gas channels can have a greater height than the wet gas channels. This is advantageous because this creates a lower pressure loss in the dry gas channels, which in the system context benefits the efficiency of the fuel cell stack, since the cathode side of the fuel cell stack can be provided with the highest possible pressure level.

Vorteilhaft kann ist erfindungsgemäße Befeuchterstapel bei dem im Betrieb auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen weniger ausfallanfällig als bekannte Befeuchterstapel, da die Abdichtung der Membranen gegenüber den Rahmenplatten zur Ausbildung der Strömungskanäle ausschließlich durch Verpressung des Plattenstapels, d.h. kraftschlüssig, erfolgt. Die hierzu nötige Vorspannkraft kann unter Berücksichtigung des Setz- und Kriechverhaltens des Materials der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung problemlos bestimmt werden.Advantageously, the humidifier stack according to the invention is less susceptible to failure than known humidifier stacks due to the thermal and mechanical loads that occur during operation, since the membranes are sealed against the frame plates to form the flow channels exclusively by pressing the plate stack, i.e. in a non-positive manner. The preload force required for this can be easily determined taking into account the settling and creep behavior of the material of the at least partially circumferential seal.

Jedoch ist der erfindungsgemäße Befeuchterstapel nicht nur im Betrieb vorteilhaft. Auch in der Herstellung ist dieser bekannten Befeuchterstapeln überlegen. Dies wird auch wieder insbesondere durch die Ausbildung der Strömungskanaldichtungsabschnitte der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung erreicht. Die umlaufende Dichtung lässt sich mit etablierten An- bzw. Urformverfahren problemlos, prozesssicher und schnell an den Rahmenplatten befestigen. Da die Dichtigkeit im Montagezustand rein kraftschlüssig durch Verpressung des Plattenstapels erreicht wird, werden an die Verbindungsqualität zwischen zumindest teilweise umlaufender Dichtung und Rahmenplatte keine erhöhten Anforderungen gestellt, im Speziellen ist keine ähnlich aufwändige Qualitätskontrolle wie bei Befeuchterstapeln des Standes der Technik nötig, die auf eine Direktverbindung, z.B. Verklebung, der Membrane mit den Rahmenplatten setzen.However, the humidifier stack according to the invention is not only advantageous in operation. This is also superior to known humidifier stacks in terms of production. This is again achieved in particular by the formation of the flow channel sealing sections of the at least partially circumferential seal. The circumferential seal can be easily, reliably and quickly attached to the frame panels using established molding or primary forming processes. Since the tightness in the assembled state is achieved purely by force-fitting by pressing the plate stack, there are no increased demands on the quality of the connection between the at least partially circumferential seal and the frame plate; in particular, no similarly complex quality control is necessary as with humidifier stacks of the prior art, which rely on a direct connection e.g. gluing the membrane to the frame panels.

In Ausführungen kann der Plattenstapel durch zumindest eine Klemmkrafterzeugungsvorrichtung, insbesondere eine oder mehrere Zugstangen, zusammengehalten werden, wobei die Membranen im Plattenstapel ausschließlich klemmend befestigt sind. Ein Stapelaufbau, in dem die Membranen mit den Rahmenplatten nicht verklebt sind, ist hinsichtlich einer deutlich prozesssichereren Fertigung (kein anfälliger Klebeschritt) vorteilhaft. Ferner bestehen Vorteile hinsichtlich einer verbesserten Dauerhaltbarkeit (Klebeverbindung insbesondere unter Einwirkung von Hitze, Feuchte und Erschütterung problematisch) und es besteht ein deutliches Kosteneinsparpotential aufgrund der besser automatisierbaren Herstellprozesse. Alternativ zu einer Zugstange als Klemmkrafterzeugungsvorrichtung kann auch ein Spannband oder ein anderer dem Fachmann geeignet erscheinender Vorrichtungsbestandteil zum Einsatz kommen, um den Befeuchterstapel in Stapelrichtung mit einer Klemmkraft zu beaufschlagen.In embodiments, the stack of plates can be held together by at least one clamping force generating device, in particular one or more tie rods, with the membranes in the stack of plates being fastened exclusively by clamping. A stack structure in which the membranes are not glued to the frame panels is advantageous in terms of significantly more reliable production (no vulnerable gluing step). There are also advantages in terms of improved durability (adhesive connection is particularly problematic under the influence of heat, moisture and vibration) and there is significant cost saving potential due to the better automated manufacturing processes. Alternative to a train rod as a clamping force generating device, a tension band or another device component that appears suitable to the person skilled in the art can also be used in order to apply a clamping force to the humidifier stack in the stacking direction.

In einer weiteren Ausführungsform kann die von der Membran aufgespannte Feuchteübertragungsfläche eine polygonale, insbesondere rechteckige, Gestalt haben. Die Strömungskanaldichtungsabschnitte liegen hierbei an zumindest zwei einander gegenüberliegenden Umfangskanten der Feuchteübertragungsfläche an der ersten Oberfläche der Membran an, wobei an zumindest zwei anderen gegenüberliegenden Umfangskanten der Feuchteübertragungsfläche an der ersten Oberfläche keine Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen. Bei einer Rechteckform kann es sich in einer besonderen Ausführung auch um eine quadratische Form handeln, was das Potential zur Verwendung von Gleichteilen, sowohl für die Rahmenplatten als auch für die Membranen, erhöht und dadurch ein erhebliches Kosteneinsparpotential bietet.In a further embodiment, the moisture transfer surface spanned by the membrane can have a polygonal, in particular rectangular, shape. The flow channel sealing sections rest on at least two mutually opposite peripheral edges of the moisture transfer surface on the first surface of the membrane, with no flow channel sealing sections resting on at least two other opposite peripheral edges of the moisture transfer surface on the first surface. In a special version, a rectangular shape can also be a square shape, which increases the potential for using identical parts, both for the frame panels and for the membranes, and thereby offers significant cost savings potential.

In den Bereichen der zwei anderen Umfangskanten der von der Membran aufgespannten Feuchteübertragungsfläche, an denen an der ersten Oberfläche keine Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen, werden jeweils Einström- und Ausströmquerschnitte in die Strömungskanäle einer der beiden Gruppen von Strömungskanälen bereitgestellt.In the areas of the two other peripheral edges of the moisture transfer surface spanned by the membrane, on which no flow channel sealing sections abut on the first surface, inflow and outflow cross sections are provided in the flow channels of one of the two groups of flow channels.

Analog können an der Membran an einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche abgewandt ist, entlang der zumindest zwei Umfangskanten, an denen an der ersten Oberfläche Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen, keine Strömungskanaldichtungsabschnitte anliegen. Hierdurch werden korrespondierend Einström- und Ausströmquerschnitte in die andere Gruppe von Strömungskanälen bereitgestellt.Analogously, no flow channel sealing sections can rest on the membrane on a second surface that faces away from the first surface, along the at least two peripheral edges on which flow channel sealing sections rest on the first surface. This provides corresponding inflow and outflow cross sections into the other group of flow channels.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die umlaufendende Dichtung fest mit der Rahmenplatte verbunden sein, insbesondere an die Rahmenplatte angespritzt oder angeklebt. Die umlaufende Dichtung kann insbesondere ein Silikon aufweisen oder daraus bestehen. Ferner kann die Dichtung in Ausführungen EPDM oder thermoplastische Elastomere aufweisen oder daraus bestehen. Die Verklebung der umlaufenden Dichtung mit der Rahmenplatte kann insbesondere durch ein Klebeband erfolgen. Es ist aber auch eine Verklebung mit einem aushärtbaren Flüssigklebstoff denkbar. Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Konzept ausreichend, wenn die umlaufende Dichtung lediglich an der Rahmenplatte fixiert ist, um die Montage des Befeuchterstapels zu ermöglichen, da die Abdichtung in erster Linie kraftschlüssig über die Verpressung des Befeuchterstapels erfolgt.In a preferred embodiment, the circumferential seal can be firmly connected to the frame plate, in particular molded or glued to the frame plate. The circumferential seal can in particular have or consist of silicone. Furthermore, the seal can have or consist of EPDM or thermoplastic elastomers. The circumferential seal can be bonded to the frame plate in particular using adhesive tape. However, bonding with a curable liquid adhesive is also conceivable. In principle, with the concept according to the invention, it is sufficient if the circumferential seal is only fixed to the frame plate in order to enable the assembly of the humidifier stack, since the sealing is primarily effected in a non-positive manner by pressing the humidifier stack.

Ferner kann zumindest einer der Strömungskanaldichtungsabschnitte zumindest eine Dichtlippe umfassen, bevorzugt zwei oder mehr Dichtlippen. Durch den Einsatz von Dichtlippen wird ein optimiertes Verhältnis zwischen Verpressungskraft und Dichtungsverformung erreicht, sodass durch diese Maßnahme die zur Erreichung einer vorbestimmten Dichtwirkung nötige Anpresskraft reduziert wird. Dieser Aspekt ist insbesondere bei einer Stapelung einer Vielzahl von Rahmenplatten-Membran-Einheiten sehr wichtig, da sich die Anpresskräfte gleiche einer Serienschaltung aufsummieren.Furthermore, at least one of the flow channel sealing sections can comprise at least one sealing lip, preferably two or more sealing lips. By using sealing lips, an optimized ratio between compression force and seal deformation is achieved, so that this measure reduces the contact pressure required to achieve a predetermined sealing effect. This aspect is particularly important when stacking a large number of frame plate-membrane units, since the contact forces add up like a series connection.

In Ausführungen kann eine Dicke der Strömungskanaldichtungsabschnitte um ein Vielfaches größer sein als eine Dicke der Membran, wobei die Dicke der Strömungskanaldichtungsabschnitte insbesondere zumindest 3-mal, bevorzugt zumindest 5-mal, insbesondere zumindest 7-mal, so groß ist wie eine Dicke der Membran. Durch die Höhe der Strömungskanaldichtungsabschnitte werden die Kanalabmessungen maßgeblich mitbestimmt. Die Gesamthöhe eines Strömungskanals ergibt sich aus der (verpressten) Höhe der Strömungskanaldichtung und der Dicke der Rahmenplatte, gegenüber der die Strömungskanaldichtung abdichtet.In embodiments, a thickness of the flow channel sealing sections can be many times greater than a thickness of the membrane, the thickness of the flow channel sealing sections being in particular at least 3 times, preferably at least 5 times, in particular at least 7 times as large as a thickness of the membrane. The channel dimensions are significantly determined by the height of the flow channel sealing sections. The total height of a flow channel results from the (pressed) height of the flow channel seal and the thickness of the frame plate against which the flow channel seal seals.

In einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Hauptströmungsrichtung in den Feuchtgaskanälen unter einem Winkel zu einer Hauptströmungsrichtung in den Trockengaskanälen verlaufen, wobei bei im Plattenstapel unmittelbar aufeinanderfolgenden Rahmenplatten die zumindest zwei Strömungskanaldichtungsabschnitte jeweils an voneinander verschiedenen Kanten vorliegen. Dadurch ist der erfindungsgemäße Befeuchterstapel bevorzugt im Kreuzstrom betreibbar, was einerseits für eine möglichst effiziente Feuchteübertragung vorteilhaft ist, da die trockenen und feuchten Volumenströme dadurch besonders homogen über die Feuchteübertragungsfläche der Membran verteilt werden können. Andererseits ist - bei einer Ausführung der Befeuchtungseinrichtung mit einem separatem Gehäuse - die Abdichtung des Befeuchterstapels gegenüber korrespondierenden Zu- und Abführanschlüssen für den trockenen und feuchten Fluidstrom vereinfacht.In a still further embodiment, a main flow direction in the wet gas channels can run at an angle to a main flow direction in the dry gas channels, with the at least two flow channel sealing sections each being present on edges that are different from one another in the case of frame plates that follow one another immediately in the plate stack. As a result, the humidifier stack according to the invention can preferably be operated in cross-flow, which on the one hand is advantageous for the most efficient moisture transfer possible, since the dry and wet volume flows can thereby be distributed particularly homogeneously over the moisture transfer surface of the membrane. On the other hand - if the humidification device is designed with a separate housing - the sealing of the humidifier stack with respect to corresponding inlet and outlet connections for the dry and moist fluid flow is simplified.

In Ausführungen, insbesondere in Ausführungen, in denen die Grundform der Membrane eine rotationssymmetrische ist, d.h. beispielsweise bei einer quadratischen Grundform, kann die Membrane in allen Stapellagen des Plattenstapels identisch sein.In versions, particularly in versions in which the basic shape of the membrane is rotationally symmetrical, i.e. for example with a square basic shape, the membrane can be identical in all stacking layers of the plate stack.

Alternativ oder zusätzlich kann die Einbaurichtung der Rahmenplatten in benachbarten Stapellagen des Plattenstapels jeweils gedreht sein, insbesondere jeweils um 90° gedreht, wobei bevorzugt die Rahmenplatten in allen Stapellagen des Plattenstapels identisch sind.Alternatively or additionally, the installation direction of the frame panels can be in adjacent stacks layers of the plate stack can be rotated, in particular rotated by 90 °, with the frame plates preferably being identical in all stack layers of the plate stack.

Die Rahmenplatten können ein metallisches Blechmaterial, insbesondere Stahlblech, aufweisen oder daraus bestehen. Rahmenplatten aus einem Blechmaterial, insbesondere in Form eines Stahlblechs aus rostfreiem Edelstahl, bieten den Vorteil einer hervorragenden thermischen und chemischen Beständigkeit und sind ferner mit etablierten und kostengünstig umsetzbaren Fertigungsverfahren (Stanzen, Biegen) herstellbar. Die Dicke des eingesetzten Blechs kann insbesondere 0,2 mm - 0,8 mm, bevorzugt 0,3 mm - 0,5 mm betragen.The frame plates can have or consist of a metallic sheet material, in particular sheet steel. Frame panels made of a sheet material, in particular in the form of a steel sheet made of stainless steel, offer the advantage of excellent thermal and chemical resistance and can also be produced using established and cost-effective manufacturing processes (stamping, bending). The thickness of the sheet metal used can be in particular 0.2 mm - 0.8 mm, preferably 0.3 mm - 0.5 mm.

Zwischen zumindest zwei benachbarten Membranen kann in Ausführungen zumindest ein Membranabstützelement und/oder zumindest ein Strömungsmischelement, insbesondere ein Strömungsgitter, vorliegen. Das Membranstützelement und/oder das Strömungsmischelement erstreckt sich vorteilhaft über die komplette Feuchteübertragungsfläche der Membrane und stützt diese gegenüber an der Feuchteübertragungsfläche angreifenden Druckgradienten ab. Das Membranstützelement und/oder das Strömungsmischelement können insbesondere einteilig ausgebildet sein, sodass beide Funktionen in einem Vorrichtungsbestandteil vereint sind. Das Strömungsmischelement wirkt als Strömungsverteiler und kann gezielt Turbulenzen induzieren, was dazu führt, dass die zur Verfügung stehende Feuchteübertragungsfläche möglichst effizient zum Feuchteaustausch genutzt werden kann. Bei dem Strömungsmischelement kann es sich daher insbesondere um einen Laminarmischer handeln. Als Material für das Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement, insbesondere Strömungsgitter, kommen neben Kunststoffen, insbesondere PPS oder PET, auch Metalle, insbesondere rostfreier Edelstahl in Frage. Das Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement kann insbesondere eine Kreuzstruktur aufweisen, die eine Mehrzahl sich unter einem Winkel kreuzenden Streben oder Rippen aufweist. Hierdurch ist einerseits die Abstützfläche maximiert und andererseits die Strömungsmischwirkung optimiert, da eine zweidimensionale Strömungsbeeinflussung erreicht wird. Bei dem Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement kann es sich um einen separat in den Plattenstapel eingelegten Vorrichtungsbestandteil handeln. Das Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement kann aber in Ausführungen auch an den Rahmenplatten ausgebildet sein, insbesondere einteilig mit einer Rahmenplatte. Entsprechende in die Rahmenplatten integrierte Membranabstützelemente und/oder Strömungsmischelement lassen sich aus einem flach bereitgestellten Ausgangsmaterial für die Rahmenplatten beispielsweise durch einfache Stanz- und Biegeverfahren realisieren.In embodiments, at least one membrane support element and/or at least one flow mixing element, in particular a flow grid, can be present between at least two adjacent membranes. The membrane support element and/or the flow mixing element advantageously extends over the entire moisture transfer surface of the membrane and supports it against pressure gradients acting on the moisture transfer surface. The membrane support element and/or the flow mixing element can in particular be designed in one piece, so that both functions are combined in one device component. The flow mixing element acts as a flow distributor and can specifically induce turbulence, which means that the available moisture transfer surface can be used as efficiently as possible for moisture exchange. The flow mixing element can therefore in particular be a laminar mixer. In addition to plastics, in particular PPS or PET, metals, in particular stainless steel, can also be considered as the material for the membrane support element and/or flow mixing element, in particular flow grid. The membrane support element and/or flow mixing element can in particular have a cross structure which has a plurality of struts or ribs that intersect at an angle. On the one hand, this maximizes the support surface and, on the other hand, optimizes the flow mixing effect, since a two-dimensional flow influence is achieved. The membrane support element and/or flow mixing element can be a device component inserted separately into the plate stack. However, in embodiments the membrane support element and/or flow mixing element can also be formed on the frame plates, in particular in one piece with a frame plate. Corresponding membrane support elements and/or flow mixing elements integrated into the frame plates can be realized from a flat starting material for the frame plates, for example by simple punching and bending processes.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann zwischen einem der Plattengrundebene abgewandten Ende des Abstützelements und der Plattengrundebene zumindest eine Strömungsöffnung ausgebildet sein, die in einen der Strömungskanäle der wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen einmündet.In a further preferred embodiment, at least one flow opening can be formed between an end of the support element facing away from the plate base plane and the plate base plane, which flows into one of the flow channels of the at least two groups of flow channels.

Das Abstützelement kann insbesondere als lokale Erhebung aus der Plattengrundebene, insbesondere als tiefgezogener Dom, ausgebildet sein. Insbesondere kann entlang der Umfangskante verteilt eine Mehrzahl beabstandeter Abstützelemente vorliegen. Dies ist vorteilhaft, um die Verpressungskräfte möglichst homogen und ohne lokale Druckspitzen zu übertragen.The support element can in particular be designed as a local elevation from the plate base plane, in particular as a deep-drawn dome. In particular, a plurality of spaced support elements can be present distributed along the peripheral edge. This is advantageous in order to transmit the compression forces as homogeneously as possible and without local pressure peaks.

In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Abstützelement als sich entlang der jeweiligen Umfangskante erstreckende Andruckleiste ausgebildet sein, wobei die Andruckleiste bevorzugt flächig auf der Umfangskante der Membran anliegt. Hierdurch wird die Homogenität der Einleitung der Verpressungskräfte weiter optimiert und eine lokale Beschädigung der Membran an der ersten Oberfläche sicher ausgeschlossen. In der Herstellung kann die Andruckleiste aus einem plattenförmigen Grundmaterial der Rahmenplatten durch gut beherrschbare und kostengünstige Trenn- und Umformprozesse, etwa Stanzen und Biegen, erzeugt werden.In a still further preferred embodiment, the support element can be designed as a pressure bar extending along the respective peripheral edge, the pressure bar preferably resting flatly on the peripheral edge of the membrane. This further optimizes the homogeneity of the introduction of the compression forces and reliably excludes local damage to the membrane on the first surface. During production, the pressure bar can be produced from a plate-shaped base material of the frame panels using easy-to-control and cost-effective cutting and forming processes, such as punching and bending.

In einer ebenfalls bevorzugten Weiterbildung kann die Andruckleiste als ein umgelegter, insbesondere umgebogener Abschnitt, des Plattenmaterials ausgebildet sein. Die Strömungsöffnung ist hierbei insbesondere zwischen beabstandet ausgebildeten Biegeabschnitten der Rahmenplatte ausgebildet, die die Plattengrundebene mit der Andruckleiste verbinden. Der Biegeabschnitt kann als Steg verstanden werden, der nach dem Erzeugen der Strömungsöffnungen, etwa durch Stanzen, die Plattengrundebene mit der Andruckleiste verbindet.In a likewise preferred development, the pressure bar can be designed as a folded, in particular bent, section of the plate material. The flow opening is formed in particular between spaced-apart bending sections of the frame plate, which connect the plate base plane to the pressure bar. The bending section can be understood as a web that connects the plate base plane with the pressure bar after the flow openings have been created, for example by punching.

In einer noch weiteren ebenfalls bevorzugten Weiterbildung können die Biegeabschnitte elastisch federnd ausgebildet sein und insbesondere eine von der Klemmkrafterzeugungsvorrichtung erzeugte Klemmkraft speichern. Die elastisch federnde Eigenschaft der Biegeabschnitte bezieht sich insbesondere auf die Stapelrichtung. Ursächlich für die elastisch federnde Eigenschaft ist eine elastische Deformation in den Biegeabschnitten, die dadurch gewissermaßen als Blattfeder wirken. Diese elastisch federnde Eigenschaft ist von besonderer Wichtigkeit, um im Plattenstapel auch bei über die Zeit nachlassender intrinsischer Dichtungsvorspannung durch Setzvorgänge in dem Material der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung auszugleichen. Dies ist daher eine bedeutende Maßnahme, um die Dichtigkeit des Plattenstapels über eine möglichst lange Zeit aufrecht zu erhalten.In a further, also preferred development, the bending sections can be designed to be elastically resilient and in particular store a clamping force generated by the clamping force generating device. The elastically resilient property of the bending sections relates in particular to the stacking direction. The cause of the elastically resilient property is an elastic deformation in the bending sections, which thus act as a leaf spring, so to speak. This elastically resilient property is of particular importance in order to remain in the stack of panels over time To compensate for decreasing intrinsic seal prestress through settling processes in the material of the at least partially circumferential seal. This is therefore an important measure in order to maintain the tightness of the plate stack over as long as possible.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann der Plattenstapel mit den wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen fluidisch verbundene Zu- und Abführkanäle ausbildet, die in Stapelrichtung verlaufen. Diese Ausführung des Befeuchterstapels kann - zusammen mit entsprechenden Endplatten - ohne ein von dem Befeuchterstapel separates bzw. externes Gehäuse direkt als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, da die Zu- und Abführung der trockenen und feuchten Volumenströme durch eine entsprechende Gestaltung innerhalb des Plattenstapels ermöglicht ist.In a further preferred embodiment, the plate stack can form fluidically connected supply and discharge channels with the at least two groups of flow channels, which run in the stacking direction. This version of the humidifier stack can - together with corresponding end plates - be used directly as a humidification device without a separate or external housing from the humidifier stack, since the supply and removal of the dry and moist volume flows is made possible by an appropriate design within the plate stack.

Insbesondere kann ein erster Zuführkanal als Trockengaszuführkanal eingangsseitig mit den Trockengaskanälen verbunden sein und ein zweiter Zuführkanal als Feuchtgaszuführkanal eingangsseitig mit den Feuchtgaskanälen verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein erster Abführkanal als Trockengasabführkanal ausgangsseitig mit den Trockengaskanälen verbunden sein und ein zweiter Abführkanal als Feuchtgasabfuhrkanal ausgangsseitig mit den Feuchtgaskanälen verbunden sein.In particular, a first supply channel can be connected to the dry gas channels on the input side as a dry gas supply channel and a second supply channel can be connected to the moist gas channels on the input side as a wet gas supply channel. Alternatively or additionally, a first discharge channel can be connected to the dry gas channels on the output side as a dry gas discharge channel and a second discharge channel can be connected to the wet gas channels on the output side as a wet gas discharge channel.

Die jeweiligen Zu- und Abführkanäle werden insbesondere durch korrespondierende Strömungstaschen in den Rahmenplatten und/oder den Membranen gebildet, welche gestapelt die Zu- und Abführkanäle ausbilden. Die Strömungstaschen können als in sich geschlossene Ausnehmungen in der Struktur der Rahmenplatten und/oder den Membranen verstanden werden, die in Stapelrichtung aufeinandergestapelt die in Stapelrichtung verlaufenden Zu- und Abführkanäle ausbildet. Die Strömungstaschen liegen insbesondere in einem außerhalb der Feuchteübertragungsfläche liegenden Bereich vor.The respective supply and discharge channels are formed in particular by corresponding flow pockets in the frame plates and/or the membranes, which, when stacked, form the supply and discharge channels. The flow pockets can be understood as self-contained recesses in the structure of the frame plates and/or the membranes, which, when stacked on top of one another in the stacking direction, form the supply and discharge channels running in the stacking direction. The flow pockets are present in particular in an area lying outside the moisture transfer surface.

In einer besonderen Ausführungsform sind die Rahmenplatten jeweils in einem die Strömungstaschen außen umlaufenden Bereich mit einer Strömungstaschendichtung versehen, die gegenüber einer benachbarten Rahmenplatte und/oder einer benachbarten Membran abdichtet, wobei insbesondere die Strömungstaschendichtung fest mit der Rahmenplatte verbunden ist, insbesondere an die Rahmenplatte angespritzt oder angeklebt. Auch die Strömungstaschendichtung kann insbesondere eine oder mehrere Dichtlippen aufweisen, um die nötigen Verpressungskräfte zur Erreichung einer vorbestimmten Dichtwirkung zu minimieren. Eine direkt an der Rahmenplatte ausgebildete Strömungstaschendichtung hat den Vorteil, dass diese in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit den Strömungskanaldichtungsabschnitten der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung erzeugt werden kann, was die Herstellkosten weiter senkt.In a special embodiment, the frame plates are each provided with a flow pocket seal in an area surrounding the outside of the flow pockets, which seals against an adjacent frame plate and / or an adjacent membrane, in particular the flow pocket seal is firmly connected to the frame plate, in particular molded onto the frame plate or glued on. The flow pocket seal can also have, in particular, one or more sealing lips in order to minimize the compression forces necessary to achieve a predetermined sealing effect. A flow pocket seal formed directly on the frame plate has the advantage that it can be produced in a common work step with the flow channel seal sections of the at least partially circumferential seal, which further reduces manufacturing costs.

In einer anderen Ausführung kann die Strömungstaschendichtung auch als eine von den Rahmenplatten separate Dichtung ausgebildet sein und in dem die Strömungstaschen außen umlaufenden Bereich entweder mit einer benachbarten Membran verbunden sein oder lose zwischen die Rahmenplatten eingelegt sein.In another embodiment, the flow pocket seal can also be designed as a seal that is separate from the frame plates and can either be connected to an adjacent membrane in the area surrounding the outside of the flow pockets or be loosely inserted between the frame plates.

In einer noch weiteren ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann zwischen zwei benachbarten Rahmenplatten zumindest ein Verpressungsbegrenzungselement angeordnet sein, das einen Mindestabstand der benachbarten Rahmenplatten vorgibt und dadurch eine Verpressung der umlaufenden Dichtung in Stapelrichtung begrenzt. Das Verpressungsbegrenzungselement kann insbesondere an zumindest einer der Rahmenplatten ausgebildet sein und an einer benachbarten Rahmenplatte zur Anlage kommen. In anderen Ausführungen kann das Verpressungsbegrenzungselement jedoch auch von den Rahmenplatten separat sein und insbesondere als Einlegeteil einer vorbestimmten Dicke zwischen zwei benachbarte Rahmenplatten eingelegt werden. Bei dem Einlegeteil kann es sich etwa um einen Blechstreifen einer vorbestimmten Dicke, insbesondere eine Unterlegscheibe, handeln. Das Verpressungsbegrenzungselement stellt eine wirksame Maßnahme dar, um eine in der Herstellung stets eine vorbestimmte Vorspannung der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung, insbesondere deren Strömungskanaldichtungsabschnitte, sicherzustellen. Praktisch kann der Plattenstapel, insbesondere durch eine Klemmkrafterzeugungsvorrichtung wie eine Gewindestange, so stark verpresst werden bis die jeweils zwischen zwei Rahmenplatten vorliegenden Verpressungsbegrenzungselemente auf Anschlag kommen. Dieser Zustand lässt sich messtechnisch einfach durch eine Überwachung der Anzugsmomente ermitteln. Alternativ kann der Plattenstapel auch in einer gesteuerten Druckkrafterzeugungsvorrichtung, etwa einer Druck- bzw. Zugprüfmaschine, vorgespannt werden und anschießend die Gewindestangen mit Muttern versehen werden, um die eingestellte Vorspannung beizubehalten. Als weiterer positiver Effekt des Verpressungsbegrenzungselements ergibt sich, dass hierdurch ein wirksames Toleranzmanagement für den gesamten Stapelaufbau ermöglicht wird. Die Längentoleranz in Stapelrichtung hängt beim Einsatz von Verpressungsbegrenzungselementen nicht mehr von einer ggf. variierenden Dichtungsverpressung ab, sondern ausschließlich von den prozesstechnisch deutlich besser kontrollierbaren Maßtoleranzen der Rahmenplatten, insbesondere deren Dicke und Abmessungen der Verpressungsbegrenzungselemente in Stapelrichtung. Dies ist daher eine wichtige Maßnahme, um für den erfindungsgemäßen Befeuchterstapel eine Massenfertigung zu ermöglichen.In a further, also preferred embodiment, at least one compression limiting element can be arranged between two adjacent frame panels, which specifies a minimum distance between the adjacent frame panels and thereby limits compression of the circumferential seal in the stacking direction. The compression limiting element can in particular be formed on at least one of the frame plates and come into contact with an adjacent frame plate. In other embodiments, however, the compression limiting element can also be separate from the frame plates and, in particular, can be inserted as an insert of a predetermined thickness between two adjacent frame plates. The insert can be a sheet metal strip of a predetermined thickness, in particular a washer. The compression limiting element represents an effective measure to ensure a predetermined preload of the at least partially circumferential seal, in particular its flow channel sealing sections, during production. In practice, the plate stack can be pressed, in particular by a clamping force generating device such as a threaded rod, until the pressing limiting elements present between two frame plates come to a stop. This condition can be easily determined by measuring the tightening torques. Alternatively, the plate stack can also be prestressed in a controlled compressive force generating device, such as a compression or tensile testing machine, and then the threaded rods can be provided with nuts in order to maintain the set pretension. Another positive effect of the compression limiting element is that it enables effective tolerance management for the entire stack structure. When using compression limiting elements, the length tolerance in the stacking direction no longer depends on a possibly varying seal compression, but exclusively on the dimensional tolerances of the frame panels, which are much easier to control in terms of process technology, in particular their thickness and dimensions of the compression limiting elements in the stacking direction. This is therefore an important measure in order to enable mass production of the humidifier stack according to the invention.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen erfindungsgemäßen Befeuchterstapel, der zumindest eine Membran aufweist, die einen Feuchteübertrag von einem feuchten Fluidstrom auf einen trockenen Fluidstrom ermöglicht und der zwischen zwei Endplatten verbaut ist, insbesondere verklemmt ist. Zumindest eine der Endplatten umfasst zumindest einen Anschluss aus der Gruppe umfassend einen Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom, einen Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom, einen Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom und/oder einen Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom. Der Zuführanschluss für den trockenen Fluidstrom und der Abführanschluss für den trockenen Fluidstrom sind fluidisch mit der zweiten Gruppe von Kanälen des Befeuchterstapels, umfassend die Trockengaskanäle, verbunden. Der Zuführanschluss für den feuchten Fluidstrom und der Abführanschluss für den feuchten Fluidstrom sind fluidisch mit der ersten Gruppe von Kanälen des Befeuchterstapels, umfassend die Feuchtgaskanäle, verbunden.A further aspect of the invention relates to a humidification device, in particular for a fuel cell system, comprising a humidifier stack according to the invention, which has at least one membrane which enables moisture transfer from a moist fluid stream to a dry fluid stream and which is installed, in particular clamped, between two end plates. At least one of the end plates comprises at least one port from the group comprising a supply port for a dry fluid stream, a feed port for a wet fluid stream, a discharge port for a dry fluid stream and/or a discharge port for a wet fluid stream. The supply port for the dry fluid stream and the discharge port for the dry fluid stream are fluidly connected to the second group of channels of the humidifier stack, comprising the dry gas channels. The supply port for the moist fluid stream and the discharge port for the moist fluid stream are fluidly connected to the first group of channels of the humidifier stack, comprising the moist gas channels.

Diese erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann als gehäuselose Variante bezeichnet werden, da der Befeuchterstapel zusammen mit den Endplatten selbst ein Gehäuse bildet. Bezüglich dieser ersten Ausführungsform der Befeuchtungseinrichtung eignet sich ein Befeuchterstapel besonders gut, bei dem der Plattenstapel mit den wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen fluidisch verbundene Zu- und Abführkanäle ausbildet, die in Stapelrichtung verlaufen. Diese Ausführung des Befeuchterstapels kann - zusammen mit entsprechenden Endplatten - ohne ein von dem Befeuchterstapel separates bzw. externes Gehäuse direkt als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, da die Zu- und Abführung der trockenen und feuchten Volumenströme durch eine entsprechende Gestaltung innerhalb des Plattenstapels ermöglicht ist.This first embodiment of the humidification device according to the invention can be referred to as a housing-less variant, since the humidifier stack itself forms a housing together with the end plates. With regard to this first embodiment of the humidification device, a humidifier stack is particularly suitable, in which the plate stack forms fluidically connected supply and discharge channels with the at least two groups of flow channels, which run in the stacking direction. This version of the humidifier stack can - together with corresponding end plates - be used directly as a humidification device without a separate or external housing from the humidifier stack, since the supply and removal of the dry and moist volume flows is made possible by an appropriate design within the plate stack.

Die an zumindest einer der Endplatten ausgebildeten Anschlüsse umfassend einen Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom, einen Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom, einen Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom und/oder einen Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom stehen also vorteilhaft mit den durch den Plattenstapel selbst bereitgestellten Zu- und Abführkanälen, die ihrerseits mit den wenigstens zwei Gruppen von Strömungskanälen des Befeuchterstapels fluidisch verbunden sind, in fluidischem Kontakt.The connections formed on at least one of the end plates, comprising a supply connection for a dry fluid stream, a supply connection for a wet fluid stream, a discharge connection for a dry fluid stream and / or a discharge connection for a wet fluid stream are therefore advantageously connected to the conditions provided by the plate stack itself. and discharge channels, which in turn are fluidly connected to the at least two groups of flow channels of the humidifier stack, in fluidic contact.

Diese gehäuselose Variante bietet den Vorteil, dass mit geringem Aufwand und zu geringen Kosten verschiedene Leistungsvarianten der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung bereitgestellt werden können, da ohne weiteres eine Erhöhung oder Verringerung der Plattenanzahl möglich, über die direkt die Membranfläche beeinflusst wird. Es kann somit basierend auf demselben Grunddesign eine ganze Palette an Anwendungsfällen abgedeckt werden. Ferner besteht ein weiterer Vorteil darin, dass bei der gehäuselosen Variante aufgrund der hohen Funktionsintegration Bauraum eingespart werden kann.This housing-free variant offers the advantage that different performance variants of the humidification device according to the invention can be provided with little effort and at low cost, since an increase or decrease in the number of plates is easily possible, via which the membrane surface is directly influenced. A whole range of use cases can therefore be covered based on the same basic design. Furthermore, another advantage is that installation space can be saved in the housing-less variant due to the high level of functional integration.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse, das einen Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom, einen Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom, einen Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom und einen Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom umfasst. In dem Gehäuse ist ein erfindungsgemäßer Befeuchterstapel angeordnet, der zumindest eine Membran aufweist, die einen Feuchteübertrag von dem feuchten Fluidstrom auf den trockenen Fluidstrom ermöglicht. Der Zuführanschluss für den trockenen Fluidstrom und der Abführanschluss für den trockenen Fluidstrom sind fluidisch mit der zweiten Gruppe von Kanälen des Befeuchterstapels, umfassend die Trockengaskanäle, verbunden und der Zuführanschluss für den feuchten Fluidstrom und der Abführanschluss für den feuchten Fluidstrom sind fluidisch mit der ersten Gruppe von Kanälen des Befeuchterstapels, umfassend die Feuchtgaskanäle, verbunden.A further aspect of the present invention relates to a humidification device, in particular for a fuel cell system, with a housing that includes a feed port for a dry fluid stream, a feed port for a wet fluid stream, a discharge port for a dry fluid stream and a discharge port for a wet fluid stream. A humidifier stack according to the invention is arranged in the housing, which has at least one membrane which enables moisture transfer from the moist fluid stream to the dry fluid stream. The supply port for the dry fluid stream and the discharge port for the dry fluid stream are fluidly connected to the second group of channels of the humidifier stack, comprising the dry gas channels, and the supply port for the wet fluid stream and the discharge port for the wet fluid stream are fluidly connected to the first group of Channels of the humidifier stack, comprising the moist gas channels.

Die zweite Variante der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung ist eine Variante mit Gehäuse. In dieser Variante kann der Befeuchterstapel zur gegenseitigen Abdichtung von Strömungsbereichen, die mit den Trockengaskanälen und Feuchtgaskanälen des Befeuchterstapels verbunden sind, zumindest eine zwischen dem Befeuchterstapel und dem Gehäuse vorliegende Gehäusedichtung aufweisen. Zumindest Abschnitte der Gehäusedichtung können hierbei dazu ausgebildet sein, den Befeuchterstapel mechanisch im Gehäuse zu halten und diesen gleichzeitig gegenüber dem Gehäuse abzudichten.The second variant of the humidification device according to the invention is a variant with a housing. In this variant, the humidifier stack can have at least one housing seal present between the humidifier stack and the housing for the mutual sealing of flow areas that are connected to the dry gas channels and wet gas channels of the humidifier stack. At least sections of the housing seal can be designed to mechanically hold the humidifier stack in the housing and at the same time seal it from the housing.

Bezüglich möglicher Ausführungen der Gehäusedichtung wird Bezug genommen auf die Anmeldung DE 10 2021 119 892.5 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Die Anwendbarkeit der in der vorgenannten Anmeldung offenbarten Gehäusedichtung auf die vorliegende Erfindung wird nicht durch den jeweils unterschiedlichen inneren Aufbau des Plattenstapels beeinträchtigt.Regarding possible versions of the housing seal, reference is made to the application DE 10 2021 119 892.5 , the contents of which are hereby incorporated into this application. The applicability of the housing seal disclosed in the aforementioned application to the present invention is not affected by the different internal structure of the plate stack.

Alle bezüglich des Erfindungsgegenstandes „Befeuchterstapel“ offenbarten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie deren spezifische Vorteile sind auf den weiteren Erfindungsgegenstand „Befeuchtungseinrichtung“ übertragbar und vice versa.All features and combinations of features disclosed with regard to the subject of the invention “humidifier stack” as well as their specific advantages can be transferred to the further subject of the invention “humidifying device” and vice versa.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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.Further advantages result from the following drawing description. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. The drawings, description and claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider the features individually and combine them into further sensible combinations.

Es zeigen beispielhaft:

1 Eine isometrische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung;
2 Eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung;
3 Eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung;
4 Längsschnitt A-A aus 4;
5 Detail X aus 4;
6 Eine isometrische Ansicht eines Befeuchterstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7 Eine isometrische Ansicht einer Befeuchtungseinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform.

They show, for example:

1 An isometric view of a first embodiment of the humidification device according to the invention;
2 A front view of a first embodiment of the humidification device according to the invention;
3 A side view of a first embodiment of the humidification device according to the invention;
4 Longitudinal section AA 4 ;
5 Detail X 4 ;
6 An isometric view of a humidifier stack according to a second embodiment;
7 An isometric view of a humidification device according to the second embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In den Figuren können gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.In the figures, the same or similar components can be provided with the same reference numerals. The figures only show examples and are not to be understood as limiting.

Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.Directional terminology used below with terms such as “left”, “right”, “top”, “bottom”, “before”, “behind”, “after” and the like only serves to better understand the figures and is in no way intended to limit the represent generality. The components and elements shown, their design and use can vary according to the considerations of a person skilled in the art and can be adapted to the respective applications.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer isometrischen Ansicht gezeigt. Die Befeuchtungseinrichtung 10 umfasst einen ebenfalls erfindungsgemäßen Befeuchterstapel 1, der zwischen zwei Endplatten 4,5 montiert ist. Endplatten 4,5 und Befeuchterstapel 1 werden durch Gewindestangen, die als Klemmkrafterzeugungsvorrichtung 2 wirken, zusammengehalten, wobei die Vorspannkraft durch abschraubbare Muttern 21 erzeugt wird. Die Endplatten 4,5 stellen entsprechende Anschlüsse bereit, die mit benachbarten Systemkomponenten verbindbar sind, um dem Befeuchterstapel die zum Feuchteaustausch vorgesehenen Fluidströme zur Verfügung zu stellen. In der in der Abbildung linken Endplatte 4 ist ein Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 42 sowie ein Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 41 ausgebildet. In der in der Abbildung rechten Endplatte 5 ist ein Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 51 sowie ein Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 52 ausgebildet. Über die Endplatten 4,5 werden die jeweiligen Fluidströme zu den im Befeuchterstapel 1 ausgebildeten Trocken- sowie Feuchtgaskanälen geleitet, die im Befeuchterstapel 1 jeweils durch eine Membran getrennt sind, die einen Feuchteübertrag vom Feuchtgaskanal zum Trockengaskanal ermöglicht.In 1 a humidification device 10 according to the invention according to a first embodiment is shown in an isometric view. The humidification device 10 includes a humidifier stack 1 according to the invention, which is mounted between two end plates 4.5. End plates 4, 5 and humidifier stack 1 are held together by threaded rods, which act as a clamping force generating device 2, the preload force being generated by unscrewable nuts 21. The end plates 4,5 provide corresponding connections that can be connected to adjacent system components in order to provide the humidifier stack with the fluid flows intended for moisture exchange. A feed port for a wet fluid stream 42 and a feed port for a dry fluid stream 41 are formed in the end plate 4 on the left in the figure. In the end plate 5 on the right in the figure, a discharge connection for a dry fluid stream 51 and a discharge connection for a wet fluid stream 52 are formed. The respective fluid flows are directed via the end plates 4, 5 to the dry and wet gas channels formed in the humidifier stack 1, which are each separated in the humidifier stack 1 by a membrane which enables moisture transfer from the wet gas channel to the dry gas channel.

Im Montagezustand in einem Brennstoffzellensystem wird der Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 42 mit einer abgasseitig vom Brennstoffzellenstack kommenden Leitung verbunden und der Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 41 mit einer Frischgasansaugleitung verbunden, in der Regel stromabwärts eines Kathodenluftfilters.In the assembled state in a fuel cell system, the supply connection for a wet fluid stream 42 is connected to a line coming from the fuel cell stack on the exhaust gas side and the supply connection for a dry fluid flow 41 is connected to a fresh gas intake line, usually downstream of a cathode air filter.

Der Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 51 wird mit einer zum Brennstoffzellenstack führenden Kathodenluftleitung verbunden und der Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 52 führt letztlich in die Umgebung, wobei häufig noch weitere Systemkomponenten vorgeschaltet sein können, etwa ein Wasserabscheider und/oder zumindest eine Turbine einer Kathodenluftkompressionsvorrichtung.The discharge connection for a dry fluid stream 51 is connected to a cathode air line leading to the fuel cell stack and the discharge connection for a wet fluid stream 52 ultimately leads into the environment, whereby additional system components can often be connected upstream, such as a water separator and/or at least one turbine of a cathode air compression device.

Innerhalb des Befeuchterstapels 1 sind werden die jeweiligen Fluidströme im Kreuzstrom zueinander geführt, was bereits aus der Positionierung der jeweiligen Anschlüsse 41,42,51,52 an den Endplatten 4,5 ersichtlich ist.Within the humidifier stack 1, the respective fluid streams are guided to one another in cross-flow, which can already be seen from the positioning of the respective connections 41, 42, 51, 52 on the end plates 4, 5.

In den 2 und 3 ist die Befeuchtungseinrichtung 10 der 1 in zwei unterschiedlichen Projektionsansichten gezeigt - 2 zeigt diese von hinten und 3 von rechts.In the 2 and 3 is the humidification device 10 1 shown in two different projection views - 2 shows this from behind and 3 from the right.

4 zeigt die Befeuchtungseinrichtung 10 im Längsschnitt A-A der 4, wobei in dieser Darstellung insbesondere die Abdichtung des Befeuchterstapels 1 gegenüber den Endplatten 4,5 durch die Endplattendichtungen 6,7 sowie die beiderseitigen Dichtstellen gut zu erkennen sind. Bei dem oberen geschnittenen Kanal 11 handelt es sich um den durch die Strömungstaschen 81 der Rahmenplatten 8,8' sowie die Strömungstaschen 91 der Membranen 9 gebildeten Zuführkanal für feuchtes Fluid. Bei dem in der Abbildung unteren Kanal 11 handelt es sich um den durch die Strömungstaschen 82 der Rahmenplatten 8,8' sowie die Strömungstaschen 92 der Membranen 9 gebildeten Abführkanal für feuchtes Fluid. Die Zu- und Abführkanäle 11 sind fluidisch mit den durch den Plattenaufbau des Befeuchterstapels 1 gebildeten Feuchtgaskanälen 14 verbunden, wobei sich im Betrieb der Befeuchtungseinrichtung 10 eine Strömung vom oberen Zuführkanal 11 zum unteren Abführkanal 11 einstellt. 4 shows the humidification device 10 in longitudinal section AA 4 , whereby in this illustration in particular the sealing of the humidifier stack 1 relative to the end plates 4.5 by the end plate seals 6.7 as well as the sealing points on both sides can be clearly seen. The upper cut channel 11 is the supply channel for moist fluid formed by the flow pockets 81 of the frame plates 8, 8 'and the flow pockets 91 of the membranes 9. The lower channel 11 in the figure is the discharge channel for moist fluid formed by the flow pockets 82 of the frame plates 8, 8 'and the flow pockets 92 of the membranes 9. The supply and discharge channels 11 are fluidly connected to the moist gas channels 14 formed by the plate structure of the humidifier stack 1, with a flow from the upper supply channel 11 to the lower discharge channel 11 being established during operation of the humidification device 10.

Die Anbindung der Trockengaskanäle 13 an die entsprechenden Zu- und Abführkanäle 11 sind im Schnitt der 5 jedoch nicht zu sehen, da diese um 90° gedreht verlaufen. Funktionell entspricht diese jedoch der oben beschriebenen Anbindung der Feuchtgaskanäle 14.The connection of the dry gas channels 13 to the corresponding supply and discharge channels 11 are in section 5 However, it cannot be seen because they are rotated by 90°. Functionally, however, this corresponds to the connection of the wet gas channels 14 described above.

Der Befeuchterstapel 1 ist an seinen in Stapelrichtung gesehen axialen Enden jeweils über eine Endplattendichtung 6,7 gegenüber den Endplatten 4,5 abgedichtet. Die Einheit aus Endplatten 4,5 und Befeuchterstapel 1 wird durch insgesamt 4 Gewindestangen (siehe 1), die als Klemmkrafterzeugungsvorrichtung 2 wirken, zusammengehalten, die durch entsprechende Durchführöffnungen im Befeuchterstapel 1 hindurch geführt sind.The humidifier stack 1 is sealed at its axial ends, viewed in the stacking direction, from the end plates 4.5 via an end plate seal 6.7. The unit consisting of end plates 4.5 and humidifier stack 1 is secured by a total of 4 threaded rods (see 1 ), which act as a clamping force generating device 2, are held together, which are guided through corresponding through openings in the humidifier stack 1.

Der Befeuchterstapel 1 weist einen abwechselnd gestapelten Aufbau umfassend Rahmenplatten 8 der feuchten Seite, Rahmenplatten 8' der trockenen Seite und zwischen den jeweiligen Rahmenplatten angeordnete Membranen 9 auf. Die Membranen 9 sind separat von den Rahmenplatten 8,8' ausgebildet und sind im Plattenstapel ausschließlich klemmend gehalten.The humidifier stack 1 has an alternately stacked structure comprising wet side frame panels 8, dry side frame panels 8' and membranes 9 arranged between the respective frame panels. The membranes 9 are formed separately from the frame plates 8, 8' and are held in the plate stack exclusively by clamping.

Im Befeuchterstapel 1 sind Feuchtgaskanäle 14 (siehe auch 5), jeweils umfassend einen Einström- 16 sowie einen Ausströmquerschnitt 15, und Trockengaskanäle 13 (siehe 5), ebenfalls umfassend jeweils einen Einström- 16 sowie einen Ausströmquerschnitt 15, ausgebildet. Die jeweiligen Einström- sowie einen Ausströmquerschnitte 15 der Feuchtgaskanäle 14 und Trockengaskanäle 13 kommunizieren fluidisch mit Zu-/Abführkanälen 11, die von Plattenstapel selbst durch in den Rahmenplatten 8,8' ausgebildete Strömungstaschen 82 sowie in den Membranen 9 ausgebildete Strömungstaschen 92 gebildet werden (siehe 5), die im gestapelten Zustand die in Stapelrichtung verlaufenden Zu-/Abführkanäle 11 ausbilden.There are moist gas channels 14 in the humidifier stack 1 (see also 5 ), each comprising an inflow 16 and an outflow cross section 15, and dry gas channels 13 (see 5 ), also comprising an inflow cross section 16 and an outflow cross section 15. The respective inflow and outflow cross sections 15 of the wet gas channels 14 and dry gas channels 13 communicate fluidly with supply/discharge channels 11, which are formed by the plate stack itself through flow pockets 82 formed in the frame plates 8, 8 'and flow pockets 92 formed in the membranes 9 (see 5 ), which, when stacked, form the feed/removal channels 11 running in the stacking direction.

Zwischen zwei im Plattenstapel jeweils benachbarten Membranen 9 liegt ein Membranabstützelement 12 vor, das eine von der Membran 9 aufgespannte Feuchteübertragungsfläche 90 überspannt. Das Membranabstützelement 12 stützt die Membran 9 gegen auf diese im Betrieb einwirkende Differenzdrücke ab, sodass diese nicht beschädigt wird. Das Membranabstützelement 12 wirkt aber gleichzeitig auch als Strömungsmischer, der die Strömung in dem jeweiligen Feuchtgaskanal 14 und/oder Trockengaskanal 13 beeinflusst und insbesondere dafür sorgt, dass eine Vermischung der Strömung in Stapelrichtung erfolgt, weshalb dieser Strömungsmischer insbesondere als Laminarmischer ausgebildet ist. Bei dem Membranabstützelement 12 handelt es sich im Besonderen um ein Strömungsgitter, das sich in zwei verschiedenen Richtungen in der Ebene erstreckt und eine Anzahl Stege hat, die sich kreuzen. Bei der in 4 gezeigten Ansicht der Befeuchtungseinrichtung 10 bzw. des Befeuchterstapels 1 handelt es sich bei dem Membranabstützelement 12 um einem von den Rahmenplattem 8,8` separaten Vorrichtungsbestandteil. In nicht figurativ gezeigten Ausführungen kann das Membranabstützelement 12 aber auch in die Rahmenplatten 8,8' integriert sein und insbesondere einteilig mit einer jeweiligen Rahmenplatte 8,8' bereitgestellt werden. Hierfür bietet Stahlblech als Ausgangsmaterial für die Rahmenplatten 8,8' beste Voraussetzungen.There is a membrane support element 12 between two adjacent membranes 9 in the plate stack, which spans a moisture transfer surface 90 spanned by the membrane 9. The membrane support element 12 supports the membrane 9 against differential pressures acting on it during operation, so that it is not damaged. At the same time, the membrane support element 12 also acts as a flow mixer, which influences the flow in the respective wet gas channel 14 and/or dry gas channel 13 and in particular ensures that the flow is mixed in the stacking direction, which is why this flow mixer is designed in particular as a laminar mixer. The membrane support element 12 is in particular a flow grid that extends in two different directions in the plane and has a number of webs that intersect. At the in 4 In the view shown of the humidification device 10 or the humidifier stack 1, the membrane support element 12 is a device component that is separate from the frame plates 8,8'. In embodiments not shown figuratively, the membrane support element 12 can also be integrated into the frame plates 8, 8' and, in particular, can be provided in one piece with a respective frame plate 8, 8'. Sheet steel offers the best conditions for this as the starting material for the 8.8' frame panels.

In der in 5 gezeigten Detailansicht, welche das Detail X aus 4 zeigt, ist ein dem feuchten Fluidauslass naher Bereich der Befeuchtungseinrichtung 10 im Schnitt dargestellt, in dem der innere Aufbau des Befeuchterstapels 1 zu erkennen ist.In the in 5 Detailed view shown, which shows detail X 4 shows, an area of the humidification device 10 close to the moist fluid outlet is shown in section, in which the internal structure of the humidifier stack 1 can be seen.

Der Befeuchterstapel 1 weist abwechselnd gestapelte feuchtseitige Rahmenplatten 8, Membranen 9 sowie trockenseitige Rahmenplatten 8' auf. An den Membranen 9 liegt in einem ihre Feuchteübertragungsfläche 90 umlaufenden Bereich eine zumindest teilweise umlaufende Dichtung 96 dichtend an, die zumindest abschnittsweise an einer benachbarten Rahmenplatte 8,8' ausgebildet ist. Die zumindest teilweise umlaufende Dichtung 96 weist zumindest zwei Strömungskanaldichtungsabschnitt 961 auf, die an zwei gegenüberliegenden Umfangskanten der Feuchteübertragungsfläche 90 an einer ersten Oberfläche 971 der Membran 9 jeweils anliegen. An zumindest zwei anderen Umfangskanten der von der Membran 9 aufgespannten Feuchteübertragungsfläche 90 liegen an der ersten Oberfläche 971 keine Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 an.The humidifier stack 1 has alternately stacked wet-side frame plates 8, membranes 9 and dry-side frame plates 8 '. An at least partially circumferential seal 96 lies sealingly against the membranes 9 in an area surrounding their moisture transfer surface 90, which is formed at least in sections on an adjacent frame plate 8, 8 '. The at least partially circumferential seal 96 has at least two flow channel sealing sections 961, which each rest on two opposite peripheral edges of the moisture transfer surface 90 on a first surface 971 of the membrane 9. There are no flow channel sealing sections 961 on the first surface 971 on at least two other peripheral edges of the moisture transfer surface 90 spanned by the membrane 9.

Die an den Rahmenplatten 8,8' ausgebildeten Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 dichten gegenüber einer benachbarten Membran 9 ab, um in einem von der Membran 9, der benachbarten Rahmenplatte 8,8`, einer benachbarten weiteren Membran 9, und den Strömungskanaldichtungsabschnitten 961 umgrenzten Bereich einen der Strömungskanäle 13,14 auszubilden.The flow channel sealing sections 961 formed on the frame plates 8, 8' seal against an adjacent membrane 9 in order to form one of the flow channels in an area delimited by the membrane 9, the adjacent frame plate 8, 8', an adjacent further membrane 9, and the flow channel sealing sections 961 13.14 to train.

Die anderen Umfangskanten der den Membranen 9 aufgespannten Feuchteübertragungsfläche 90, an denen an der ersten Oberfläche 971 keine von Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 anliegen, stellen jeweils Einström- 16 (siehe 4) und Ausströmquerschnitte 15 in die Strömungskanäle 13,14 bereit.The other peripheral edges of the moisture transfer surface 90 spanned by the membranes 9, on which none of the flow channel sealing sections 961 rest on the first surface 971, each provide inflow 16 (see 4 ) and outflow cross sections 15 into the flow channels 13,14.

Bei zueinander benachbarten Membranen 9 sind die Umfangskanten der Feuchteübertragungsfläche 90 der Membran 9, an denen die Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 anliegen, also jeweils abwechselnd andere, um im Plattenstapel eine abwechselnde Reihenfolge von Feuchtgaskanälen 14 und Trockengaskanälen 13 zu realisieren.In the case of mutually adjacent membranes 9, the peripheral edges of the moisture transfer surface 90 of the membrane 9, against which the flow channel sealing sections 961 rest, are alternately different in order to realize an alternating sequence of wet gas channels 14 and dry gas channels 13 in the plate stack.

Die Verbindung des feuchtseitigen Abführkanals 11 mit den Ausströmquerschnitten 15 der Feuchtgaskanäle 14 ist wie folgt realisiert: Im dargestellten Randbereich der Feuchteübertragungsfläche 90 liegen an den Umfangskanten jeder zweiten Membran 9 an der ersten Oberfläche 971 keine Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 an, sodass eine Ausströmung aus den Feuchtgaskanälen 14 erfolgen kann. An den dazwischen liegenden Membranen 9 liegen in dem dargestellten Randbereich der Feuchteübertragungsfläche 90 dieser Umfangskante Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 an, sodass eine Ausströmung aus den Trockengaskanälen 13 in den feuchtseitige Abführkanal 11 unterbunden ist. In den Trockengaskanälen 13 erfolgt die Durchströmung vielmehr in einer in die Bildebene hinein weisenden Richtung, wodurch sich in Trocken- 13 und Feuchtgaskanälen 14 eine Strömungsführung im Kreuzstrom ergibt.The connection of the moisture-side discharge channel 11 with the outflow cross sections 15 of the wet gas channels 14 is realized as follows: In the edge region of the moisture transfer surface 90 shown, there are no flow channel sealing sections 961 on the peripheral edges of every second membrane 9 on the first surface 971, so that an outflow from the wet gas channels 14 takes place can. Flow channel sealing sections 961 rest against the membranes 9 lying in between in the edge region shown of the moisture transfer surface 90 of this peripheral edge, so that an outflow from the dry gas channels 13 into the wet-side discharge channel 11 is prevented. In the dry gas channels 13, the flow takes place in a direction pointing into the image plane, which results in cross-flow flow in the dry gas channels 13 and wet gas channels 14.

Der feuchtseitige Abführkanal 11, der in Stapelrichtung durch Strömungstaschen 82 der Rahmenplatten 8,8' sowie Strömungstaschen 92 der Membranen 9 gebildet wird, ist an seiner Außenseite von einer Strömungstaschendichtung 95 begrenzt, die an der jeweiligen Rahmenplatte 8,8' oder an der Membran 9 ausgebildet ist und den feuchtseitigen Abführkanal 11 zur Umgebung hin abdichtet. Um einen Schutz der Strömungstaschendichtung 95 bereitzustellen weisen die Rahmenplatten 8,8' an ihrem Außenumfang jeweils einen Bund 88 auf, der im verspannten Zustand des Plattenstapels die jeweils benachbarte Rahmenplatte 8,8' berührt und so eine im Wesentlichen geschlossene Außenwand des Befeuchterstapels 1 bereitstellt. Der Bund 88 ist mit gegenüber der Plattengrundebene um einen Winkel kleiner 90° umgebogen, sodass dessen distales Ende bei Kontakt zu einer benachbarte Rahmenplatte 8,8' keinen harten Anschlag bildet, sondern noch genügend Bewegungsspielraum in Stapelrichtung ermöglicht, dass die zumindest teilweise umlaufende Dichtung 96 sicher verpresst werden kann. Ein harter Anschlag des Bundes 88 ist zudem unerwünscht, da sich hieraus bezüglich der Stapelrichtung undefinierte Relativpositionen benachbarter Rahmenplatten 8,8' ergeben können, die zu Toleranzproblemen bzw. teilweise unvollständiger Dichtungsverpressung führen können.The moisture-side discharge channel 11, which is formed in the stacking direction by flow pockets 82 of the frame plates 8, 8' and flow pockets 92 of the membranes 9, is delimited on its outside by a flow pocket seal 95, which is on the respective frame plate 8, 8' or on the membrane 9 is formed and seals the wet-side discharge channel 11 from the environment. In order to provide protection for the flow pocket seal 95, the frame plates 8, 8' each have a collar 88 on their outer circumference, which, in the clamped state of the plate stack, touches the adjacent frame plate 8, 8' and thus provides a substantially closed outer wall of the humidifier stack 1. The collar 88 is bent at an angle of less than 90° relative to the plate base plane, so that its distal end does not form a hard stop when it comes into contact with an adjacent frame plate 8, 8 ', but still allows sufficient freedom of movement in the stacking direction for the at least partially circumferential seal 96 can be pressed safely. A hard stop of the collar 88 is also undesirable, since this can result in undefined relative positions of adjacent frame plates 8, 8 'with respect to the stacking direction, which can lead to tolerance problems or partially incomplete seal compression.

Die Durchströmung wird, wie erläutert, dadurch ermöglicht, dass die Feuchteübertragungsfläche der Membrane 9 an der in 5 gezeigten Umfangskante frei von Strömungskanaldichtungsabschnitten 961 ist, sodass durch die Strömungsöffnungen 851 des Abstützelements 85 eine Durchströmung stattfinden kann. Mit anderen Worten kann es sich bei den Strömungsöffnungen 851 des Abstützelements 85 um Strömungsfenster handeln. Die benachbarte Membrane 9 hat hingegen an der gezeigten Umfangskante ihrer Feuchteübertragungsfläche 90 einen Strömungskanaldichtungsabschnitt 961, sodass die Ausströmung in den feuchtseitigen Abführkanal 11 hier unterbunden ist.As explained, the flow is made possible by the moisture transfer surface of the membrane 9 being on the in 5 Circumferential edge shown is free of flow channel sealing sections 961, so that flow can take place through the flow openings 851 of the support element 85. In other words, the flow openings 851 of the support element 85 can be flow windows. The adjacent membrane 9, on the other hand, has a flow channel sealing section 961 on the peripheral edge shown of its moisture transfer surface 90, so that the outflow into the moisture-side discharge channel 11 is prevented here.

Es versteht sich von selbst, dass alle Merkmale und Eigenschaften des Befeuchterstapels 1, die anhand der 5 beispielhaft für die Anbindung der Feuchtgaskanäle 14 an den feuchtseitigen Abführkanal 11 beschrieben wurden, mutatis mutandis auch auf die Anbindung der Feuchtgaskanäle 14 an den feuchtseitigen Zuführkanal 11 sowie auf die Anbindung der Trockengaskanäle 13 an die trockenseitigen Zu- und Abführkanäle übertragbar sind.It goes without saying that all features and properties of the humidifier stack 1, which are based on the 5 have been described as an example for the connection of the moist gas channels 14 to the wet-side discharge channel 11, mutatis mutandis can also be transferred to the connection of the moist gas channels 14 to the moist-side supply channel 11 and to the connection of the dry gas channels 13 to the dry-side supply and discharge channels.

Um die Abströmung respektive Zuströmung in den Feuchtgaskanal 14 zu ermöglichen, weisen die als Andruckleisten 852 ausgebildeten Abstützelemente 85 Strömungsöffnungen 851 auf, die den durch die Strömungstasche 82 bereitgestellten Bereich des jeweiligen Zu-/Abführkanals 11 mit dem Feuchtgaskanal 14 verbinden.In order to enable the outflow or inflow into the moist gas channel 14, the support elements 85 designed as pressure strips 852 have flow openings 851 which connect the area of the respective supply/discharge channel 11 provided by the flow pocket 82 with the moist gas channel 14.

Die Andruckleisten 852 sind jeweils einteilig mit einem Material der Rahmenplatte 8 ausgebildet, insbesondere als umgebogener Rand bzw. Biegeabschnitt 853, wobei die Strömungsöffnungen 851 gestanzt sein können. Im Zusammenbau kommen die Andruckleisten 852 auf Anlage zu der ersten Oberfläche 971 einer benachbarten Membran 9, genauer gesagt im Bereich einer Umfangskante der von der Membran 9 aufgespannten Feuchteübertragungsfläche 90, an der an der ersten Oberfläche 971 keine Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 anliegen. Durch den vollflächigen Kontakt der ersten Oberfläche 971 der Membran 9 mit der Andruckleiste 852 wird eine optimale Stützung der Membran 9 erreicht und Wellenbildung unterbunden. Die Andruckleiste 852 ist federelastisch, sodass diese im unverbauten Ausgangszustand der Rahmenplatte 8 nicht parallel zur Plattengrundebene verläuft, sondern zur Bereitstellung eines ausreichenden Verformungswegs leicht gegenüber dieser abgewinkelt ist.The pressure strips 852 are each formed in one piece with a material of the frame plate 8, in particular as a bent edge or bending section 853, whereby the flow openings 851 can be punched. When assembled, the pressure strips 852 come into contact with the first surface 971 of an adjacent membrane 9, more precisely in the area of a peripheral edge of the moisture transfer surface 90 spanned by the membrane 9, on which no flow channel sealing sections 961 rest on the first surface 971. Due to the full-surface contact of the first surface 971 of the membrane 9 with the pressure bar 852, optimal support of the membrane 9 is achieved and the formation of waves is prevented. The pressure bar 852 is resilient, so that in the uninstalled initial state of the frame plate 8 it does not run parallel to the base plane of the plate, but is slightly angled relative to it to provide sufficient deformation path.

In einem unverpressten Ausgangszustand kann die Andruckleiste 852 unter einem Winkel zur Plattengrundebene verlaufen. Beim Zusammenbau des Plattenstapels wir die Andruckleiste 852 elastisch verformt (Biegung) bis sich diese parallel zur Plattengrundebene erstreckt. Diese federnde Verformung speichert die Klemmkräfte entsprechend und kann daher Setzerscheinungen in den Strömungskanaldichtungsabschnitten 961 der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung 96 ausgleichen.In an unpressed initial state, the pressure bar 852 can run at an angle to the base plane of the plate. When assembling the stack of plates, the pressure bar 852 is elastically deformed (bending) until it extends parallel to the base plane of the plate. This resilient deformation stores the clamping forces accordingly and can therefore compensate for settling phenomena in the flow channel sealing sections 961 of the at least partially circumferential seal 96.

Die Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 der zumindest teilweise umlaufenden Dichtung 96 sind durch Anspritzen mit den Rahmenplatten 8,8' verbunden, können aber in anderen Ausführungen auch geklebt sein. In einem außerhalb der Feuchteübertragungsfläche 90 der Membran 9 liegenden Bereich sind die Rahmenplatten 8,8`, außenseitig die Strömungstaschen 82,92 der jeweiligen Rahmenplatte 8,8' respektive der Membran 9 umfassend, mit einer Strömungstaschendichtung 95 versehen, die an der ersten Oberfläche 971 der Membran 9 anliegen.The flow channel sealing sections 961 of the at least partially circumferential seal 96 are connected to the frame plates 8, 8' by injection molding, but can also be glued in other embodiments. In an area lying outside the moisture transfer surface 90 of the membrane 9, the frame plates 8, 8', comprising the flow pockets 82, 92 of the respective frame plate 8, 8' or the membrane 9 on the outside, are provided with a flow pocket seal 95, which is on the first surface 971 the membrane 9 rest.

Die Membran 9 stellt die Kernkomponente des Befeuchterstapels 1 dar, an der der Feuchteübertrag stattfindet. Das Feuchteübertragungsmedium 97 der Membran 9 umfasst eine Folie aus PTFE oder PFSA. Die Folie ist sandwichsartig zwischen zwei Vlieslagen, insbesondere aus PET, PPS oder PA, gefasst bzw. kaschiert. Der Vorteil dieser Kaschierung besteht darin, dass die Folie, welche sehr dünn und daher schwer zu handhaben und mechanisch wenig belastbar ist, geschützt wird.The membrane 9 represents the core component of the humidifier stack 1, to which the moisture transfer takes place. The moisture transfer medium 97 of the membrane 9 comprises a film made of PTFE or PFSA. The film is sandwiched between two fleece layers, in particular made of PET, PPS or PA, or laminated. The advantage of this lamination is that the film, which is very thin and therefore difficult to handle and has little mechanical strength, is protected.

Die Rahmenplatten 8,8' weisen an ihrer jeweiligen Seite, an der keine Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 und/oder Abstützelemente 85 vorliegen, jeweils eine Verpressungssicke 89 auf, die sich aus der Plattengrundebene erhebt und zumindest entlang einer jeweiligen Umfangskante der Feuchteübertragungsfläche 90 der Membran 9 verläuft. Die Verpressungssicke 89 ist insbesondere als tiefgezogener oder in sonstiger Weise verformter Bereich des Plattenmaterials gebildet. Die Verpressungssicke 89 dient dazu, eine benachbarte Membran 9 im Zusammenbau sicher kraftschlüssig zu verklemmen, indem die Verpressungskraft auf einen kleineren Querschnitt gebündelt wird. Diese Verbesserung der Verklemmung ist an folgenden „Schnittstellen“ vorteilhaft ausgebildet: (a) Zwischen Rahmenplatte 8, Membran 9 und Abstützelement 85 einer benachbarten Rahmenplatte 8' und (b) Zwischen Rahmenplatte 8`, Membran 9 und Strömungskanaldichtungsabschnitt 961 einer benachbarten Rahmenplatte 8. Die Strömungskanaldichtungsabschnitte 961 können jeweils eine mit der Verpressungssicke 89 korrespondierende Nut aufweisen, die in Form und Abmessungen auf die Form und Abmessungen der Verpressungssicke 89 abgestimmt ist. In Zusammenwirkung der Nut des Strömungskanaldichtungsabschnitts 961 einer Rahmenplatte 8 und der Verpressungssicke 89 einer benachbarten Rahmenplatte 8' kann somit die kraftschlüssige Halterung der Membran 9 in optimaler Art und Weise ermöglicht werden.On their respective sides, on which there are no flow channel sealing sections 961 and/or support elements 85, the frame plates 8, 8' each have a compression bead 89, which rises from the plate base plane and runs at least along a respective peripheral edge of the moisture transfer surface 90 of the membrane 9. The compression bead 89 is formed in particular as a deep-drawn or otherwise deformed area of the plate material. The compression bead 89 serves to securely clamp an adjacent membrane 9 in a force-fitting manner during assembly by concentrating the compression force on a smaller cross section. This improvement in jamming is advantageously designed at the following “interfaces”: (a) between frame plate 8, membrane 9 and support element 85 of an adjacent frame plate 8 'and (b) between frame plate 8', membrane 9 and flow channel sealing section 961 of an adjacent frame plate 8. The Flow channel sealing sections 961 can each have a groove corresponding to the compression bead 89, the shape and dimensions of which are coordinated with the shape and dimensions of the compression bead 89. In interaction of the groove of the flow channel sealing section 961 of a frame plate 8 and the compression bead 89 of an adjacent frame plate 8 ', the frictional holding of the membrane 9 can be made possible in an optimal manner.

In 6 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchterstapels 1 gezeigt, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass dieser keine integrierten Zu-/Abführkanäle für feuchte und trockene Fluidströme aufweist. Dies wird durch den Wegfall der Strömungstaschen 82 der Rahmenplatten 8,8' sowie der Strömungstaschen 92 der Membranen 9 erreicht. Der Innere Aufbau des Plattenstapels ist jedoch ansonsten identisch. Die jeweiligen Einströmquerschnitte sowie Ausströmquerschnitte der Trocken- und/oder Feuchtgaskanäle liegen an den Seitenflächen des Befeuchterstapels 1 frei und werden erst bei Verbau in ein korrespondierendes Gehäuse mit entsprechenden Zu-/Abführanschlüssen fluidisch verbunden. Während die erste Ausführungsform ohne ein separates Gehäuse auskommt, erfordert die zweite Ausführungsform ein solches.In 6 a second embodiment of the humidifier stack 1 according to the invention is shown, which differs from the first embodiment in that it does not have integrated supply/discharge channels for moist and dry fluid flows. This is achieved by eliminating the flow pockets 82 of the frame plates 8, 8 'and the flow pockets 92 of the membranes 9. However, the internal structure of the plate stack is otherwise identical. The respective inflow cross sections and outflow cross sections of the dry and/or wet gas channels are exposed on the side surfaces of the humidifier stack 1 and are only fluidly connected when installed in a corresponding housing with corresponding supply/discharge connections. While the first embodiment does not require a separate housing, the second embodiment requires one.

Der den Befeuchterstapel 1 bildenden Plattenstapel ist wiederum zwischen zwei Endplatten 4,5 verspannt. An einem ersten Paar gegenüberliegender Seitenflächen liegen einerseits Einströmquerschnitte in die Trockengaskanäle und andererseits Ausströmquerschnitte aus den Trockengaskanälen vor. An einem zweiten Paar gegenüberliegender Seitenflächen liegen einerseits Einströmquerschnitte in die Feuchtgaskanäle und andererseits Ausströmquerschnitte aus den Feuchtgaskanälen vor. Es ergibt sich also wiederum eine Durchströmung des Befeuchterstapels im Kreuzstrom.The plate stack forming the humidifier stack 1 is in turn braced between two end plates 4.5. On a first pair of opposite side surfaces there are on the one hand inflow cross sections into the dry gas channels and on the other hand Outflow cross sections from the dry gas channels. On a second pair of opposite side surfaces there are, on the one hand, inflow cross sections into the moist gas channels and, on the other hand, outflow cross sections from the moist gas channels. This results in a cross-current flow through the humidifier stack.

Um die jeweiligen Fluidströme - trockener Einlass, trockener Auslass, feuchter Einlass, feuchter Auslass - getrennt führen zu können, liegen an den zwischen den Seitenflächen liegenden Kanten des Plattenstapels jeweils Gehäusedichtungen 111 vor, die im Einbauzustand die jeweiligen Seitenflächen voneinander abdichten. Die Gehäusedichtungen 111 können als Flachdichtungen ausgebildet sein, die im Montagezustand radial wirken. Der Plattenstapel kann in seinen Eckbereichen jeweils ein Abschrägung, insbesondere um 45°, aufweisen, sodass eine Befestigungsfläche für die Gehäusedichtungen 111 bereitgestelltwird. Die Gehäusedichtungen 111 können beispielsweise mit dem Plattenstapel verklebt sein. Die Gehäusedichtungen 111 jeweils reichen bis zu den jeweiligen Endplatten 4,5 und treffen dort in Form eines an der jeweilen Endplatte 4,5 vorliegenden Dichtungskreuzes 112 aufeinander, welches im Einbauzustand axial gegenüber einer korrespondierenden Wand des Gehäuses 100 abdichtet.In order to be able to guide the respective fluid flows - dry inlet, dry outlet, wet inlet, wet outlet - separately, there are housing seals 111 on the edges of the plate stack lying between the side surfaces, which seal the respective side surfaces from one another when installed. The housing seals 111 can be designed as flat seals that act radially in the assembled state. The plate stack can each have a bevel in its corner areas, in particular by 45°, so that a fastening surface for the housing seals 111 is provided. The housing seals 111 can, for example, be glued to the plate stack. The housing seals 111 each extend to the respective end plates 4.5 and meet there in the form of a sealing cross 112 present on the respective end plate 4.5, which seals axially against a corresponding wall of the housing 100 when installed.

Ein Einbauzustand des Befeuchterstapels 1 in eine Befeuchtungseinrichtung 10 nach einer zweiten Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Die Befeuchtungseinrichtung 10 weist ein Gehäuse 100 mit einen Aufnahmeraum 102 auf, der dazu eingerichtet ist, den Befeuchterstapel 1 aufzunehmen. Das Gehäuse 100 verfügt ferner über einen Zuführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 41, einen Zuführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 42, einen Abführanschluss für einen trockenen Fluidstrom 51 und einen Abführanschluss für einen feuchten Fluidstrom 52, die jeweils fluidisch mit dem Aufnahmeraum 102 verbunden sind. Das Gehäuse 100 weist angrenzend an den Aufnahmeraum 102 vier Gehäusedichtungsnuten 101 auf, in denen im Einbauzustand die Gehäusedichtungen 111 des Befeuchterstapels dichtend aufgenommen werden. Die Gehäusedichtungsnuten 101 sind jeweils in Eckbereichen des Aufnahmeraums 102 angeordnet. Die Gehäusedichtungsnuten 101 weisen jeweils einen Nutgrund auf, der als Radialdichtfläche wirken kann, und der gegenüber einer Hauptdurchströmungsrichtung (trocken oder feucht) geneigt ist, insbesondere um 45° geneigt. Die Gehäusedichtungsnuten 101 weisen den Nutgrund beidseitig begrenzend parallele Nutwände auf, die den Befeuchterstapel 1 während des Einbaus entlang der Einschubrichtung führen. Die Lage und Anordnung der Zu-/Abführanschlüsse 41 ,42,51 ,52 ist nur exemplarisch und kann in Ausführungen abweichen.An installation state of the humidifier stack 1 in a humidification device 10 according to a second embodiment is shown in 7 shown. The humidification device 10 has a housing 100 with a receiving space 102, which is designed to accommodate the humidifier stack 1. The housing 100 also has a supply port for a dry fluid stream 41, a feed port for a wet fluid stream 42, a discharge port for a dry fluid stream 51 and a discharge port for a wet fluid stream 52, each of which is fluidly connected to the receiving space 102. The housing 100 has four housing sealing grooves 101 adjacent to the receiving space 102, in which the housing seals 111 of the humidifier stack are sealingly received when installed. The housing sealing grooves 101 are each arranged in corner regions of the receiving space 102. The housing sealing grooves 101 each have a groove base which can act as a radial sealing surface and which is inclined relative to a main flow direction (dry or wet), in particular inclined by 45°. The housing sealing grooves 101 have parallel groove walls delimiting the groove base on both sides, which guide the humidifier stack 1 along the insertion direction during installation. The position and arrangement of the supply/exhaust connections 41, 42, 51, 52 is only an example and may differ in designs.

BezugszeichenReference symbols

100100: GehäuseHousing
101101: GehäusedichtungsnutHousing seal groove
102102: AufnahmeraumRecording room
1010: BefeuchtungseinrichtungHumidification device
11: BefeuchterstapelHumidifier stack
1111: Zu-/AbführkanäleSupply/discharge channels
111111: GehäusedichtungHousing seal
112112: Dichtungskreuzsealing cross
1212: Membranabstützelement, Strömungsmischelement, StrömungsgitterMembrane support element, flow mixing element, flow grid
1313: TrockengaskanäleDry gas channels
1414: FeuchtgaskanäleWet gas channels
1515: Ausströmquerschnitte der Trocken- und/oder FeuchtgaskanäleOutflow cross sections of the dry and/or wet gas channels
1616: Einströmquerschnitte der Trocken- und/oder FeuchtgaskanäleInflow cross sections of the dry and/or wet gas channels
22: KlemmkrafterzeugungsvorrichtungClamping force generating device
2121: MutternNuts
4,54.5: EndplattenEnd plates
6,76.7: EndplattendichtungEnd plate seal
4141: Zuführanschluss für einen trockenen FluidstromSupply connection for a dry fluid stream
4242: Zuführanschluss für einen feuchten FluidstromSupply connection for a wet fluid stream
5151: Abführanschluss für einen trockenen FluidstromDischarge connection for a dry fluid stream
5252: Abführanschluss für einen feuchten FluidstromDischarge connection for a moist fluid flow
88th: Rahmenplatte der feuchten SeiteWet side frame plate
8`8`: Rahmenplatte der trockenen SeiteDry side frame plate
8282: Strömungstaschen der RahmenplattenFlow pockets of the frame plates
8585: AbstützelementSupport element
851851: Strömungsöffnungen des AbstützelementsFlow openings of the support element
852852: Andruckleistepressure bar
853853: Biegeabschnittebending sections
8888: BundFederation
8989: VerpressungssickePressing bead
99: Membranmembrane
9090: FeuchteübertragungsflächeMoisture transfer surface
9292: Strömungstaschen der MembraneFlow pockets of the membrane
9595: StrömungstaschendichtungFlow pocket seal
9696: zumindest teilweise umlaufende Dichtungat least partially circumferential seal
961961: StrömungskanaldichtungsabschnitteFlow channel sealing sections
971971: erste Oberfläche der Membranfirst surface of the membrane
972972: zweite Oberfläche der Membransecond surface of the membrane

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102016014895 A1 [0007]
DE 102019123534 A1 [0007]
DE 102021119892 [0054]

Claims

Humidifier stack (1) for a humidification device (10), in particular for a fuel cell system, with a plurality of frame plates (8, 8') following one another in a plate stack in a stacking direction, at least two groups of flow channels (13, 14) being formed in the plate stack are, each separated by a membrane (9); wherein a first group of channels comprises wet gas channels (14) and a second group of channels comprises dry gas channels (13), wherein the membrane (9) transfers moisture from a fluid flow guided in the wet gas channel (14) to a fluid stream guided in the dry gas channel (13). Fluid flow enables, characterized in that an at least partially circumferential seal (96) rests sealingly on the membrane (9), which is formed at least in sections on an adjacent frame plate (8, 8 '), the at least partially circumferential seal (96) being at least comprises two flow channel sealing sections (961), which rest on at least two peripheral edges of a moisture transfer surface (90) spanned by the membrane on a first surface (971) of the membrane (9), with at least two other peripheral edges of the moisture transfer surface spanned by the membrane (9). (90) no flow channel sealing sections (961) rest on the first surface (971), the flow channel sealing sections (961) sealing against the membrane (9) in order to be in one of the membrane (9), the adjacent frame plate (8, 8 '). , an adjacent further membrane (9), and the area delimited by the flow channel sealing sections (961) to form one of the flow channels (13, 14), the frame plates (8, 8 ') each having at least one support element (85) projecting from a plate base plane, which is supported on the membrane (9) in an area of the at least two peripheral edges of the moisture transfer surface (90) of the membrane (9), on which no flow channel sealing sections (961) rest on the first surface (971), in order to apply a seal prestressing force into the flow channel sealing sections ( 961).

humidifier stack (1). Claim 1 , characterized in that the plate stack is held together by at least one clamping force generating device (2), in particular one or more tie rods, in particular the membranes (9) in the plate stack being fastened exclusively by clamping.

humidifier stack (1). Claim 1 or 2 , characterized in that the moisture transfer surface (90) spanned by the membrane (9) has a polygonal, in particular rectangular, shape, the flow channel sealing sections (961) on at least two mutually opposite peripheral edges of the moisture transfer surface (90) on the first surface (971) the membrane (9) and no flow channel sealing sections (961) rest on at least two other opposite peripheral edges of the moisture transfer surface (90) on the first surface (971) of the membrane (9).

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two other peripheral edges of the moisture transfer surface (90) spanned by the membrane (9), on which no flow channel sealing sections (961) rest on the first surface (971), each inflow - Provide and outflow cross sections (15,16) into the flow channels.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least partially circumferential seal (96) is firmly connected to the frame plate (8,8'), in particular molded or glued to the frame plate (8,8').

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the flow channel sealing sections (961) comprises at least one sealing lip, preferably two or more sealing lips.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a thickness of the flow channel sealing sections (961) is many times greater than a thickness of the membrane (9), the thickness of the flow channel sealing sections (961) in particular being at least 3 times, preferably at least 5 times as large as a thickness of the membrane (9).

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a main flow direction in the moist gas channels (14) runs at an angle to a main flow direction in the dry gas channels (13), with frame plates (8, 8 ') immediately following one another in the plate stack at least two flow channel sealing sections (961) are each present on edges that are different from one another.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane (9) is identical in all stacking layers of the plate stack.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the installation direction of the frame plates (8,8') in adjacent stacking layers of the plate stack is rotated, in particular rotated by 90 °, with the frame plates (8,8') preferably being rotated. are identical in all stacking layers of the plate stack.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the frame plates (8, 8') have or consist of a metallic sheet material, in particular sheet steel.

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one membrane support element (12) and/or at least one flow mixing element (12), in particular a flow grid (12), is present between at least two adjacent membranes (9).

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one flow opening (851) is formed between an end of the support element (85) facing away from the plate base plane and the plate base plane, which flows into one of the flow channels (13, 14) of the at least two Groups of flow channels (13, 14) open into,

humidifier stack (1). Claim 13 , characterized in that the support element (85) is designed as a local elevation from the base plane of the plate and/or wherein a plurality of spaced support elements (85) are preferably distributed along the peripheral edge.

humidifier stack (1). Claim 13 or 14 , characterized in that the support element (85) is designed as a pressure bar (852) extending along the respective peripheral edge, the pressure bar (852) preferably resting flat on the peripheral edge of the moisture transfer surface (90) of the membrane (9).

humidifier stack (1). Claim 15 , characterized in that the pressure bar (852) is designed as a folded, in particular bent, section of the plate material, the flow opening (851) being formed in particular between spaced-apart bending sections (853) of the frame plate (8, 8 '), which Connect the plate base level to the pressure bar (852).

humidifier stack (1). Claim 16 , characterized in that the bending sections (853) are designed to be elastically resilient and in particular store a clamping force generated by the clamping force generating device (2).

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the plate stack forms fluidically connected supply and discharge channels (11) with the at least two groups of flow channels (13, 14), which run in the stacking direction.

humidifier stack (1). Claim 18 , characterized in that a first supply channel (11) as a dry gas supply channel is connected on the input side to the dry gas channels (13) and a second supply channel (11) as a wet gas supply channel is connected on the input side to the wet gas channels (14) and / or a first discharge channel (11) as Dry gas discharge channel is connected on the output side to the dry gas channels (13) and a second discharge channel as a wet gas discharge channel is connected on the output side to the wet gas channels (14).

Humidifier stack after Claim 18 or 19 , characterized in that the supply and discharge channels (11) are formed by corresponding flow pockets (82,92) in the frame plates (8,8 ') and / or the membranes (9), which stack the supply and discharge channels (11 ) train.

humidifier stack (1). Claim 20 , characterized in that the frame plates (8,8') are each provided with a flow pocket seal (95) in an area surrounding the outside of the flow pockets (92), which is opposite an adjacent frame plate (8,8') and / or an adjacent membrane (9) seals, in particular the flow pocket seal (95) being firmly connected to the frame plate (8,8'), in particular molded or glued to the frame plate (8,8').

Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one compression limiting element is arranged between two adjacent frame plates (8,8'), which specifies a minimum distance between the adjacent frame panels (8,8') and thereby at least partially compresses the circumferential seal (96) limited in the stacking direction, the compression limiting element preferably being formed on at least one of the frame plates (8,8') and abutting on an adjacent frame plate (8,8').

Humidification device (10), in particular for a fuel cell system, comprising a humidifier stack (1) which has at least one membrane (9) which transfers moisture from one wet fluid flow enables a dry fluid flow and which is installed, in particular clamped, between two end plates (4,5), wherein at least one of the end plates (4,5) has at least one connection from the group comprising a supply connection for a dry fluid flow (41), a supply port for a wet fluid stream (42), a discharge port for a dry fluid stream (51) and / or a discharge port for a wet fluid stream (52), characterized in that the humidifier stack (1) is a humidifier stack (1) according to one of previous claims, wherein the supply port for the dry fluid stream (41) and the discharge port for the dry fluid stream (51) are fluidly connected to the second group of channels of the humidifier stack, comprising the dry gas channels (13), and the feed port for the wet fluid stream (42) and the discharge connection for the moist fluid stream (52) is fluidly connected to the first group of channels of the humidifier stack, comprising the moist gas channels (14).

Humidification device (10), in particular for a fuel cell system, with a housing which has a supply connection for a dry fluid stream (41), a supply connection for a moist fluid stream (42), a discharge connection for a dry fluid stream (51) and a discharge connection for a moist one Fluid flow (52), wherein a humidifier stack (1) is arranged in the housing, which has at least one membrane (9) which enables moisture transfer from the wet fluid flow to the dry fluid flow, characterized in that the humidifier stack (1). Humidifier stack (1) according to one of the preceding claims, wherein the supply port for the dry fluid stream (41) and the discharge port for the dry fluid stream (51) are fluidly connected to the second group of channels of the humidifier stack, comprising the dry gas channels (13). and the supply port for the moist fluid stream (42) and the discharge port for the moist fluid stream (52) are fluidly connected to the first group of channels of the humidifier stack, comprising the moist gas channels (14).