DE102022118939A1

DE102022118939A1 - Plattenstapel für eine Befeuchtungseinrichtung und Befeuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022118939A1
Application number: DE102022118939.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Korn; Ralph Kemper; Tom Zeltwanger; Pius Trautmann; Markus Wagner
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024022798A2; WO2024022798A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenstapel (400) für eine Befeuchtungseinrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (500) alternierend aufeinander folgenden ersten und zweiten Trägerplatten (100, 200). Im Plattenstapel (400) sind erste und zweite Gruppen von Strömungskanälen (410, 420) ausgebildet, die jeweils durch selektiv permeable Membranen (110, 210), getrennt sind. Jeweils zwei in Stapelrichtung (500) aufeinanderfolgende erste (100) und zweite Trägerplatten (200) sind an zumindest zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten (124,224) durch einen Verbindungsbereich (150,250) fluiddicht miteinander verbunden, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten (122,222) zwischen den Trägerplatten (100, 200) jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich ausgebildet ist. Die Verbindungsbereiche (150,250) werden jeweils durch eine Doppelsicke (152,252) an einer der Trägerplatten (100,200) und eine korrespondierende Einfachsicke (160,260) an der anderen Trägerplatte (100,200) gebildet, die zumindest in der Doppelsicke (152,252) aufgenommen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Befeuchtungseinrichtung (1000) für ein Brennstoffzellensystem.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Plattenstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, sowie die Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem selbst.
Stand der Technik
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. Ferner sind bestimmte Typen von Brennstoffzellenstapeln bekannt, die eine interne Befeuchtung aufweisen und keine separate Befeuchtungseinrichtung erfordern.
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.
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.
Bekannte Flachmembranbefeuchter weisen eine Vielzahl gestapelter Rahmenplatten auf, die eine Mehrzahl von Trockengas- und Feuchtgaskanälen ausbilden, die jeweils durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membrane getrennt sind.
Die Membrane ist herbei in der Regel mit den jeweiligen Rahmenplatten fest verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt.
Derartige Befeuchtungseinrichtungen sind beispielsweise aus DE 10 2016 014 895 A1 und DE 10 2019 123 534 A1 bekannt.
Die DE 10 2013 020 503 A1 offenbart eine Befeuchtungseinrichtung, welche dazu eingesetzt wird, Strömungsluft, die beispielsweise einer Brennstoffzelle für die elektrochemische Reaktion zugeführt wird, mit einem definierten Feuchtigkeitsgehalt anzureichern. Die Befeuchtungseinrichtung weist eine Stapeleinheit mit mehreren übereinander angeordneten, vorzugsweise parallel und zueinander beabstandeten Membranen auf, die jeweils für Wasser durchlässig sind, nicht jedoch für Luft, wobei an den gegenüberliegenden Membranseiten Luftströme mit unterschiedlich hohem Feuchtigkeitsgehalt entlanggeführt werden, so dass durch die Membrane ein Wasser- bzw. Wasserdampfaustausch vom Luftstrom mit höherem Feuchtigkeitsgehalt zum Luftstrom mit geringerem Feuchtigkeitsgehalt erfolgt. Die Befeuchtungseinrichtung weist in einem Gehäuse die Stapeleinheit mit wasserdampfdurchlässigen Membranen auf, welche zwischen Rahmenteilen angeordnet sind. Das Gehäuse weist Dome zur Halterung der Stapeleinheit auf, wobei die Verbindung zwischen Domen und den Rahmenteilen über seitlich überstehende Verbindungsnasen erfolgt, die in eine Aufnahmenut hineinragen.
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 Rahmenplatten untereinander einen potenziellen Schwachpunkt dar, der zu einem vorzeitigen Ausfall der Befeuchtungseinrichtung führen kann. Ferner ist die Verbindung der Rahmenplatten untereinander bisher häufig mit einem hohen manuellen Arbeitsanteil verbunden, was fehleranfällig und teuer ist.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Plattenstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, zu schaffen, der eine verbesserte thermische und mechanische Belastbarkeit aufweist und der unter einem höheren Automatisierungsgrad prozesssicher herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Plattenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung einer Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem.
Diese Aufgabe wird durch eine Befeuchtungseinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 22 gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Der gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Plattenstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, umfasst eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten, die jeweils einen umlaufenden Rahmen aufweisen, der eine Öffnung umgibt. Im Plattenstapel sind erste und zweite Gruppen von Strömungskanälen ausgebildet, die jeweils durch selektiv permeable Membranen, insbesondere wasserdampfdurchlässige Membranen, getrennt sind. Jeweils drei der alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten bilden zwei der Strömungskanäle. Hierbei sind jeweils zwei in Stapelrichtung aufeinanderfolgende erste und zweite Trägerplatten an jeweils zumindest zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten durch einen Verbindungsbereich fluiddicht miteinander verbunden, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten zwischen den Trägerplatten jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich der ersten Gruppe von Strömungskanälen ausgebildet ist. Ferner sind jeweils zwei in Stapelrichtung aufeinanderfolgende zweite und erste Trägerplatten an jeweils zumindest zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten durch einen Verbindungsbereich fluiddicht miteinander verbunden, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten zwischen den Trägerplatten jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich der zweiten Gruppe von Strömungskanälen ausgebildet ist. Die Verbindungsbereiche werden jeweils durch eine Doppelsicke an einer der Trägerplatten und eine korrespondierende Einfachsicke an der anderen Trägerplatte gebildet, wobei die Einfachsicke zumindest abschnittsweise in der Doppelsicke aufgenommen ist.
Die zwischen jeweils zwei benachbarten Trägerplatten ausgebildeten Verbindungsbereiche begrenzen einen dazwischen ausgebildeten Strömungskanal seitlich. Dabei kann ein Querschnitt der ersten Trägerplatte deckungsgleich zu einem Querschnitt der zweiten Trägerplatte ausgebildet sein.
Auf diese Weise können die ersten und zweiten Trägerplatten alternierend dicht gestapelt werden und dadurch quer zueinander angeordnete Strömungskanäle bilden. Mittels der korrespondierenden Einfach- und Doppelsicken kann ein Klebespalt zwischen den aufeinander gestapelten Trägerplatten eingestellt werden, der es ermöglicht, ein entsprechendes Dichtmaterial automatisiert und prozesssicher einzudosieren. Durch eine Klebung können die gestapelten Trägerplatten sicher verbunden werden und dichte Strömungskanäle ausbilden. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sickenstruktur eine signifikante Versteifung der einzelnen Trägerplatten erreicht, sodass in der Folge der gesamte Plattenstapel versteift wird und sich somit unter äußeren Kräften weniger verformt, was einer dauerhaften Dichtigkeit des Plattenstapels zuträglich ist.
Der vorgeschlagene Plattenstapel ist vorteilhaft geeignet für einen Flachmembranbefeuchter. Dabei werden die Strömungskanäle, beispielsweise Abgaskanal und Zuluftkanal, jeweils mittels zweier Trägerplatten gebildet und dienen der Durchströmung mit feuchtigkeitsbelastetem Abgas im Abgaskanal, beispielsweise aus einer Brennstoffzelle und im Nachbarströmungskanal mit trockener Zuluft für die Brennstoffzelle. Die Zuluft kann dabei durch die selektiv permeable Membran durch Feuchtigkeit des Abgases befeuchtet werden.
In Ausführungen könnend die ersten und zweiten Trägerplatten strukturell unterschiedlich sein und sich insbesondere in Abmessungen, Form und/oder Anordnung der Einfach- und/oder Doppelsicken unterscheiden. In anderen Ausführungen können die ersten und zweiten Trägerplatten aber auch strukturell identisch sein, jedoch in benachbarten Stapellagen des Plattenstapels in einer jeweils gedrehten, insbesondere um 90° oder 180° gedrehten, Orientierung verbaut sein, um ihre beabsichtigte Funktion bei der Bildung der Strömungskanäle erfüllen zu können. Die Trägerplatten können jeweils eine polygonale, insbesondere rechteckige, Gestalt haben. Bei einer Rechteckform kann es sich in einer besonderen Ausführung auch um eine quadratische Form handeln, was das Potential zur Verwendung von Gleichteilen für die ersten und zweiten Trägerplatten bietet.
Die selektiv permeable Membran trennt die Abgas- von den Zuluft-Strömungskanälen. Die selektiv permeable Membran kann beispielsweise als PFSA (perfluorosulfonic acid) - Membran, auch bekannt als Nafion-Membran, ausgebildet sein. Solche Membranen werden üblicherweise auch als Protonenaustauschmembranen eingesetzt. Die Membran ist insbesondere luftdicht, aber feuchtigkeitsdurchlässig. Die selektiv permeable Membran überspannt die in den Trägerplatten vorgesehene Öffnung vollständig, sodass im Bereich der Öffnung eine Feuchteübertragungsfläche bereitgestellt ist.
Die ersten und zweiten Seiten der Trägerplatten können jeweils in einem außerhalb der Öffnung liegenden Randbereich des Rahmens vorliegen, wobei der Randbereich die Öffnung vollständig umläuft.
Nach einer günstigen Ausgestaltung können die Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen und/oder der zweiten Gruppe von Strömungskanälen jeweils wenigstens ein Abstandselement zum Beabstanden der benachbarten Trägerplatten aufweisen, wobei sich das Abstandselement von zumindest einer der Trägerplatten in oder entgegen der Stapelrichtung weg erstreckt und an einer benachbarten Trägerplatte abstützt.
Hierdurch können die Einström- und Abströmbereiche für Zuluft und/oder Abgas günstig offen gehalten werden, insbesondere auch wenn in den benachbarten Strömungskanälen relativ höhere Drücke herrschen.
Die Höhe der Strömungskanäle ist abhängig von den Abmessungen der Verbindungsbereiche und/oder von den Abmessungen der Abstandselemente, welche den Abstand zwischen den übereinander angeordneten Trägerplatten vorgeben. Über die Abmessungen, insbesondere in Stapelrichtung, der Abstandselemente können daher die Kanalhöhen der Strömungskanäle mit bestimmt werden.
In Ausführungen kann an den ersten Seiten der Trägerplatten ein erstes Abstandselement innerhalb einer an der ersten Seite einer der Trägerplatten vorliegenden Einfachsicke vorliegen und sich insbesondere entgegen einer Sickentiefe der Einfachsicke erstrecken. Die Anordnung des ersten Abstandselements innerhalb der Einfachsicke ist hierbei besonders platzsparend, sodass in der Folge eine Querschnittsfläche der Öffnung der Trägerplatten und damit die von der Membran überspannte Feuchteübertragungsfläche maximiert werden kann. Das erste Abstandselement kann insbesondere zusammen mit der Einfachsicke in einem Umformprozess, insbesondere einem Tiefziehprozess, erzeugt werden.
In Ausführungen kann sich das erste Abstandselement an einem zweiten Abstandselement einer benachbarten Trägerplatte abstützen, wobei sich das zweite Abstandselement insbesondere entgegen einer Sickentiefe einer an der ersten Seite der benachbarten Trägerplatte vorliegenden Doppelsicke erstreckt. Das zweite Abstandselement kann insbesondere innerhalb der Doppelsicke vorliegen. Die Anordnung des zweiten Abstandselements innerhalb der Doppelsicke ist hierbei besonders platzsparend, sodass in der Folge eine Querschnittsfläche der Öffnung der Trägerplatten und damit die von der Membran überspannte Feuchteübertragungsfläche maximiert werden kann. Das zweite Abstandselement kann insbesondere zusammen mit der Doppelsicke in einem Umformprozess, insbesondere einem Tiefziehprozess, erzeugt werden.
Mit „innerhalb“ ist hierin eine Anordnung des jeweiligen ersten und/oder zweiten Abstandselements quer zur Stapelrichtung gemeint, in der das jeweilige Abstandselement an zwei Seiten von Sickenwänden der Einfach- bzw. Doppelsicke flankiert wird. „Innerhalb“ erfordert jedoch explizit keine Überlappung in Stapelrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann an den zweiten Seiten der Trägerplatten an einer der Trägerplatten ein drittes Abstandselement vorliegen, das sich insbesondere entgegen einer Sickentiefe einer an der zweiten Seite einer der Trägerplatten vorliegenden Einfachsicke erstreckt, wobei das dritte Abstandselement insbesondere in einem außerhalb der Einfachsicke liegenden Bereich vorliegt.
Hierbei kann sich das dritte Abstandselement an einem vierten Abstandselement einer benachbarten Trägerplatte abstützen, das sich insbesondere entgegen einer Sickentiefe einer an der zweiten Seite der benachbarten Trägerplatte vorliegenden Doppelsicke erstreckt. Das vierte Abstandselement kann insbesondere in einem außerhalb der Doppelsicke liegenden Bereich vorliegen.
Mit „außerhalb“ ist hierin eine Anordnung des jeweiligen dritten und/oder vierten Abstandselements quer zur Stapelrichtung gemeint, in der das jeweilige Abstandselement an nur einer Seite von einer Sickenwand der Einfach- bzw. Doppelsicke flankiert wird. Insbesondere kann die Anordnung quer zur Stapelrichtung derart vorgesehen sein, dass das dritte und/oder vierte Abstandselement bezüglich der Einfach- bzw. Doppelsicke radial außenliegend angeordnet ist.
Die Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen an den ersten Seiten der Trägerplatten werden in Ausführungen durch die ersten und zweiten Abstandselemente gebildet. Alternativ oder zusätzlich werden die Einström- und/oder Abströmbereiche der zweiten Gruppe von Strömungskanälen an den zweiten Seiten der Trägerplatten in Ausführungen durch die dritten und vierten Abstandselemente gebildet.
Bei der ersten Gruppe von Strömungskanälen kann es sich um Feuchtgaskanäle bzw. Abgaskanäle handeln und bei der zweiten Gruppe von Strömungskanälen um Trockengaskanäle bzw. Zuluftkanäle oder umgekehrt.
In Ausführungen kann das wenigstens eine Abstandselement als lokale Erhebung ausgebildet sein, insbesondere als tiefgezogener Dom, wobei bevorzugt im Bereich der Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen und/oder der zweiten Gruppe von Strömungskanälen eine Mehrzahl beabstandeter Abstandselemente vorliegt. Die Abstandselemente können hierbei insbesondere entlang einer Erstreckung einer jeweiligen Kante der Trägerplatte an der ersten und/oder zweiten Seite beabstandet sein, insbesondere in gleichmäßigen Abständen. Durch mehrere Abstandselemente kann die Abstützwirkung gegenüber benachbarten Trägerplatten verbessert werden, sodass sich die durch die Einström- und/oder Abströmbereiche bereitgestellten Durchströmquerschnitte weder im Betrieb noch beim Zusammenbau unzulässig verengen.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann eine Sickentiefe und/oder Sickenweite der Einfachsicke geringer sein als eine Sickentiefe und/oder Sickenweite der Doppelsicke. Zwischen der Einfachsicke und der Doppelsicke kann hierbei ein Hohlraum gebildet werden, der von einem Dichtmaterial zumindest teilweise ausgefüllt ist. Die Doppelsicke stellt hierbei insbesondere einen Aufnahmebereich für Dichtmaterial bereit, welches in der Produktion in einem fließfähigen Zustand in den Aufnahmebereich eindosiert werden kann. Die Dicke einer durch das Dichtmaterial gebildeten Dichtung ist hierbei durch die sich bei den Einfachsicken und Doppelsicken unterscheidenden Sickentiefen und/oder Sickenweiten einstellbar.
Die Doppelsicke weist insbesondere zumindest zwei beabstandete, insbesondere parallel verlaufende, Sickenstränge auf, zwischen denen die Einfachsicke aufgenommen ist. Die Sickenstränge der Doppelsicke begrenzen hierbei den Aufnahmebereich für das Dichtmaterial in einer quer zur Stapelrichtung verlaufenden Ebene, insbesondere in einer Trägerplattengrundebene.
Mit „Trägerplattengrundebene“ ist insbesondere eine Ebene gemeint, die durch die in den Trägerplatten jeweils vorgesehenen Öffnungen aufgespannt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung kann die Doppelsicke zumindest einen Entlüftungsbereich aufweisen, in dem eine Sickentiefe zumindest eines der Sickenstränge lokal reduziert ist. Der Entlüftungsbereich erlaubt in der Produktion des erfindungsgemäßen Plattenstapels eine von Lufteinschlüssen freie Verklebung benachbarter Trägerplatten. Durch den Entlüftungsbereich der Doppelsicke kann beim in Stapelrichtung teilweisen Aufnehmen der Einfachsicke in der Doppelsicke verdrängte Luft entweichen, wodurch sich maximierte von dem fließfähigen Dichtmaterial kontaktierte Klebeflächen ergeben. Mit „lokal“ ist eine begrenzte Erstreckung des Entlüftungsbereichs entlang einer Sickenlängsrichtung gemeint. Es kann in Ausführungen ausdrücklich vorgesehen sein, dass eine Doppelsicke mehrere Entlüftungsbereiche aufweist, die insbesondere in Sickenlängsrichtung beabstandet sind. Unabhängig davon oder in Kombination hierzu können an den beiden beabstandeten Sickensträngen der Doppelsicke jeweils Entlüftungsbereiche vorgesehen sein.
In einer gleichermaßen vorteilhaften weiteren Ausführungsform kann ein Sickengrund der Einfachsicke versetzt, insbesondere parallel versetzt, zu einer Trägerplattengrundebene sein und/oder ein Sickengrund der Doppelsicke in der Trägerplattengrundebene liegen. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass eine an einer ersten oder zweiten Seite einer der Trägerplatten vorgesehene Doppelsicke mit ihren quer zur Stapelrichtung beabstandeten Sickensträngen an einer benachbarten Trägerplatte anliegt, insbesondere in einer Trägerplattengrundebene der benachbarten Trägerplatte. Hierbei bestimmt die Sickentiefe der Doppelsicke bzw. deren Sickenstränge die Höhe eines zwischen den benachbarten Trägerplatten gebildeten Strömungskanals.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform können in an die Trockengaskanäle angrenzenden Bereichen der Trägerplatten die selektiv permeablen Membranen jeweils an einer zu dem jeweiligen Trockengaskanal weisenden Oberfläche der Trägerplatten vorliegen. Da in der Regel in den Trockengaskanälen gegenüber den Feuchtgaskanälen ein relativer Überdruck herrscht, beugt eine derartige Anordnung der selektiv permeablen Membranen Undichtigkeiten vor, da die Membranen durch den relativen Überdruck in den Trockengaskanälen gewissermaßen auf ihre jeweilige Kontaktfläche mit der Trägerplatte gepresst werden. Der Differenzdruck zwischen Zuluft (Trockengaskanäle) und Abgas (Feuchtgaskanäle) kann in einem Brennstoffzellensystem üblicherweise im Bereich 300 mbar bis 600 mbar liegen und sogar bis zu 1 bar betragen.
Anders ausgedrückt können in an die Feuchtgaskanäle angrenzenden Bereichen der Trägerplatten die selektiv permeablen Membranen jeweils an einer dem jeweiligen Feuchtgaskanal abgewandten Oberfläche der Trägerplatten vorliegen.
Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausführungsform an einer Außenseite des Plattenstapels wenigstens eine Aufnahmenut für eine Dichtung vorliegen, in der insbesondere eine Dichtung aufgenommen ist. Insbesondere weisen die aufeinander folgenden Trägerplatten jeweils zumindest eine zur Außenseite offene Ausnehmung auf, durch die - durch die Stapelung - eine in Stapelrichtung verlaufende Aufnahmenut gebildet wird. Bei der Dichtung kann es sich um eine axial und/oder radial wirksame Dichtung handeln, die dazu ausgebildet ist, den Plattenstapel in einem Gehäuse abzudichten.
Mittels eine solchen Dichtung kann der Plattenstapel im Gehäuse einer Befeuchtungseinrichtung vorteilhaft so angeordnet werden, dass keine Kreuzleckage, d.h. eine Leckage zwischen den beiden Fluidströmen entstehen kann. Dadurch kann eine effiziente Befeuchtung der Zuluft durch Übertrag der Feuchtigkeit aus der Abgasströmung erreicht werden.
In weiteren Ausführungsformen kann zwischen zwei benachbarten selektiv permeablen Membranen ein Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement vorliegen, das die Öffnung der Trägerplatten vollflächig überspannt, wobei das Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement insbesondere gitterartig ausgebildet ist. Das Membranstützelement und/oder Strömungsmischelement überspannt insbesondere die von der Membran aufgespannte Feuchteübertragungsfläche vollständig.
Das Membranstützelement und/oder das Strömungsmischelement stützt die Membran 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 Trägerplatten ausgebildet sein, insbesondere einteilig mit einer Trägerplatte. Entsprechende in die Trägerplatten integrierte Membranabstützelemente und/oder Strömungsmischelement lassen sich aus einem flach bereitgestellten Ausgangsmaterial für die Trägerplatten beispielsweise durch einfache Stanz- und Biegeverfahren realisieren. Insbesondere kann jede Trägerplatte ein Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement umfassen.
Ein Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement kann in den Trockengaskanälen und/oder in den Feuchtgaskanälen vorliegen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Plattenstapels kann das Membranabstützelement und/oder Strömungsmischelement auf die jeweilige erste und/oder zweite Trägerplatte aufgelegt sein, insbesondere mit dem Rahmen verklebt sein. Auf diese Weise kann eine stabile und dauerhafte Befestigung des Membranabstützelements und/oder Strömungsmischelements an einer jeweiligen Trägerplatte erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die den ersten Trägerplatten zugeordneten Membranabstützelemente und/oder Strömungsmischelemente unterschiedlich zu den den zweiten Trägerplatten zugeordneten Membranabstützelementen und/oder Strömungsmischelementen ausgebildet sein. Insbesondere können sich die Membranabstützelemente und/oder Strömungsmischelemente der ersten und zweiten Trägerplatten in einer Höhe und/oder einem Fadenabstand und/oder einem Winkel einer Haupterstreckungsrichtung unterscheiden.
Der Fadenabstand kann variabel sein. Der Kreuzungswinkel der Fäden kann typischerweise 90°, aber beispielsweise auch 60° betragen oder einen anderen Wert aufweisen. Eine solche Variation der Ausführung der gitterartigen Abstützelemente kann die Strömungsverhältnisse des entsprechenden Strömungskanals signifikant beeinflussen und damit wesentlichen Einfluss auf den Stoffübertrag, dem Feuchtigkeitsübertrag, vom Abgas auf die Zuluft sowie den zugehörigen Druckverlust nehmen. Dies kann passend zu beabsichtigten Einsatzbedingungen angepasst werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die selektiv permeablen Membranen die Öffnungen der Trägerplatten jeweils vollflächig abdecken, wobei insbesondere die selektiv permeablen Membranen jeweils in einem die Öffnungen umlaufenden Randbereich mit einer Oberfläche der Trägerplatten verbunden sind, insbesondere verschweißt oder verklebt.
In Ausführungen können die Trägerplatten ein metallisches Blechmaterial, insbesondere Stahlblech, insbesondere aus einem rostfreien Edelstahl, aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise ist es möglich, einen möglichst dünnen und dennoch stabilen Rahmen zu fertigen. Dadurch kann ein kompakter Plattenstapel aufgebaut werden, der gleichzeitig den Stabilitätsanforderungen im Betrieb der Befeuchtungseinrichtung genügt. Eine Dicke des Blechmaterials kann typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm, insbesondere 0,2 bis 0,4 mm, liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, die ein Gehäuse aufweist, das wenigstens einen Eingang für ein erstes Fluid, insbesondere ein Abgas des Brennstoffzellensystems, einen Eingang für ein zweites Fluid, insbesondere einer Zuluft des Brennstoffzellensystems, einen Ausgang für das erste Fluid und einen Ausgang für das zweite Fluid aufweist. Die Befeuchtungseinrichtung umfasst ferner einen erfindungsgemäßen Plattenstapel umfassend eine Mehrzahl an selektiv permeablen Membranen, wobei der Plattenstapel einen Fluidpfad des ersten Fluids von einem Fluidpfad des zweiten Fluids trennt und einen Feuchteübertrag von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung stellt eine spezielle Bauform eines Flachmembranbefeuchters dar. In einer ersten Gruppe von Strömungskanälen strömt ein erstes, feuchtes oder wasserreiches Fluid, beispielsweise Abgas von Brennstoffzellen, während in einer anderen, zweiten Gruppe von Strömungskanälen ein zweites, trockenes Fluid, beispielsweise Zuluft für die Brennstoffzellen, strömt. Über die selektiv permeablen Membranen des Plattenstapels kann das zweite, trockene Fluid von dem ersten Fluid befeuchtet werden.
Der Plattenstapel ist gegenüber dem Gehäuse günstiger Weise in der Art abgedichtet, dass der Fluidpfad des ersten Fluids sicher von dem Fluidpfad des zweiten Fluids getrennt ist und keine Kreuzleckage (Vermischung des ersten mit dem zweiten Fluidpfad oder umgekehrt) stattfindet.
Das Gehäuse der Befeuchtungseinrichtung kann aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein. Alternativ ist auch möglich, dass das Gehäuse aus Kunststoff, beispielsweise aus PPS, PPA (Polyphtalamid), PA (Polyamid), ausgebildet ist.
Das Gehäuse kann mehrteilig ausgebildet sein mit einem abnehmbaren Deckel. Auf diese Weise kann der Plattenstapel zu Wartungszwecken aus dem Gehäuse entnommen und/oder ausgetauscht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine Draufsicht eines Plattenstapel für eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Plattenstapels der 1;
3 Detail BE der 2;
4 Schnitt BD-BD gemäß 1;
5 Detail BF der 4;
6 Schnitt BW-BW gemäß 1;
7 Detail BX der 6;
8 Schnitt BN-BN gemäß 1;
9 Detail BP der 8;
10 Explosionsansicht zweier Trägerplatten des Plattenstapels der 1, die an einem Zuluftkanal/Trockengaskanal angrenzen;
11 Detail BQ der 10;
12 Detail BR der 10;
13 Draufsicht einer ersten Trägerplatte des Plattenstapels der 1 von der Seite eines ersten Strömungskanals;
14a Schnitt BG-BG gemäß 13;
14b Detail BJ der 14a;
14c Detail BH der 14a;
15 Draufsicht einer zweiten Trägerplatte des Plattenstapels der 1 von der Seite eines zweiten Strömungskanals;
16a Schnitt BK-BK gemäß 15;
16b Detail BL der 16a;
16c Detail BM der 16a;
17 einen Plattenstapel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung;
18 einen Plattenstapel nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung;
19 eine Befeuchtungseinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Der Plattenstapel 400 umfasst eine Mehrzahl von in einer Stapelrichtung 500 (siehe 2) alternierend aufeinander folgenden ersten und zweiten Trägerplatten 100, 200, die jeweils einen umlaufenden Rahmen 120, 220 aufweisen, der eine Öffnung 230 umgibt. Im Plattenstapel 400 sind erste und zweite Gruppen von Strömungskanälen 410, 420 (siehe 5) ausgebildet, die jeweils durch selektiv permeable Membranen 110, 210 (siehe 5), insbesondere wasserdampfdurchlässige Membranen 110, 210, getrennt sind. Jeweils drei der alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten 100, 200 bilden zwei der Strömungskanäle 410, 420. In der Abbildung der 1 ist eine zweite Trägerplatte 200 gezeigt, die den Plattenstapel 400 in Stapelrichtung endständig abschließt. Ein Plattenstapel 400 kann in der Praxis bis zu 120 Trägerplatten 100,200 umfassen, wobei in den Figuren aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit eine deutlich kleinere Anzahl an Trägerplatten 100,200 dargestellt ist.
Der Plattenstapel 400 ist dazu ausgebildet und bestimmt, in den ersten und zweiten Gruppen von Strömungskanälen 410,420 zwei Fluide fluidisch voneinander getrennt zu führen. Bei dem ersten Fluid 600 kann es sich insbesondere um ein (relativ feuchtes) Abgas eines Brennstoffzellenstapels handeln und bei dem zweiten Fluid 602 um eine (relativ trockene) Zuluft für einen Brennstoffzellenstapel. Durch den Plattenstapel 400 kann Feuchtigkeit von dem ersten Fluid 600 auf das zweite Fluid übertragen werden, und ggf. umgekehrt. Der Feuchteaustausch findet hierbei an der selektiv permeablen Membran statt, die insbesondere undurchlässig für Flüssigkeiten und Gase ist jedoch einen Übertrag von Wassermolekülen erlaubt. Bei dem ersten und/oder zweiten Fluid 600,602 handelt es sich insbesondere um Luft mit unterschiedlichen Feuchtegraden.
Die Trägerplatten 100,200 umfassen jeweils einen Rahmen 120,220, der die Öffnung 130,230 umläuft.
Die selektiv permeablen Membranen 110, 210 sind jeweils in einem die Öffnung 130,230 in den Trägerplatten 100,200 umlaufenden Bereich fluiddicht mit den Trägerplatten 100,200 verbunden, etwa verklebt oder verschweißt. Hierbei liegt die jeweilige selektiv permeable Membran 110, 210 im Bereich einer Auflagefläche 128,288 (siehe u.A. 5 und 7) auf dem Rahmen 120,220 auf.
Die den Plattenstapel 400 mit bildenden Trägerplatten 100,200 weisen jeweils eine erste Seite 124,224 auf, die an einer Längsseite vorliegt. Ferner weisen die Trägerplatten 100,200 jeweils eine zweite Seite 122,222 auf, die an einer Querseite vorliegt. An ihren quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten 124,224 sind zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung 500 aufeinanderfolgenden ersten 100 und zweiten Trägerplatten 200 jeweils Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen 410 ausgebildet. Die zwei in Stapelrichtung 500 aufeinanderfolgenden ersten 100 und zweiten Trägerplatten 200 sind ihren quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten 122,222 durch einen Verbindungsbereich 150,250 fluiddicht miteinander verbunden. Der Verbindungsbereich 150,250 stellt somit eine laterale Begrenzung des Strömungskanals der ersten Gruppe von Strömungskanälen 410 bereit.
Die Grundform der Trägerplatten 100,200 ist rechteckig mit einer Längsseite 124 und einer Querseite 122. In nicht figurativ dargestellten Ausführungsformen kann die Grundform der Trägerplatten jedoch auch ein beliebiges Polygon sein.
Zwei in Stapelrichtung 500 aufeinanderfolgende zweite 200 und erste Trägerplatten 100 hingegen sind an jeweils zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten 122,222 durch einen Verbindungsbereich 150,250 fluiddicht miteinander verbunden, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten 124,224 zwischen den Trägerplatten 100, 200 jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich der zweiten Gruppe von Strömungskanälen 420 ausgebildet ist.
Hierdurch wird in Stapelrichtung 500 gesehen eine abwechselnde Abfolge von Strömungskanälen der ersten Gruppe 410 und Strömungskanälen der zweiten Gruppe 420 erreicht, sodass der Plattenstapel 400 von den ersten und zweiten Fluiden 600,602 im Kreuzstrom durchströmt werden kann.
Die die laterale Strömungskanalabdichtung bildenden Verbindungsbereiche 150,250 sind jeweils durch eine Doppelsicke 152,252 an einer der Trägerplatten 100,200 und eine korrespondierende Einfachsicke 160,260 an einer unmittelbar benachbarten Trägerplatte 100,200 gebildet, wobei die Einfachsicke 160,260 zumindest abschnittsweise in der Doppelsicke 152,252 aufgenommen ist (siehe u.A. 5 und 7).
Die Trägerplatten 100,200 umfassen jeweils ein Membranabstützelement 300, das einteilig mit der jeweiligen Trägerplatte 100,200 ausgebildet ist. Insbesondere kann das Membranabstützelement 300 gitterartig ausgebildet sein und in Stapelrichtung 500 aus einer Trägerplattengrundebene 101,201 der jeweiligen Trägerplatte 100,200 auskragen. Das Membranabstützelement 300 kann insbesondere durch Ausstanzen und Umbiegen eines Trägerplattenmaterials hergestellt werden. Das Membranabstützelement 300 umfasst eine Mehrzahl beabstandeter und unter einem Winkel zur ersten und zweiten Seite 124,224,122,222 verlaufende Stege. Im Zusammenbau überkreuzen sich die winklig angeordneten Stege der Membranabstützelemente 300 benachbarter Trägerplatten 100,200.
In 5 ist Detail BF der 4, die den Schnitt BD-BD gemäß 1 zeigt, dargestellt. Hierin sind insbesondere die an der ersten Seite 124,224 vorgesehenen Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen 410 sowie die an der ersten Seite 124,224 vorgesehenen Verbindungsbereiche 150 gut zu erkennen. An der ersten Seite 124,224 umfassen die ersten Trägerplatten 100 eine Doppelsicke 152 und die zweiten Trägerplatten 200 eine Einfachsicke 260. Die Einfachsicke 260 ist hierbei zur Bildung des Verbindungsbereichs 150 zumindest teilweise in der Doppelsicke 152 aufgenommen. Zwischen der Doppelsicke 152 und der Einfachsicke 260 ist ein Hohlraum 1522 gebildet, der mit einem Dichtmaterial ausgefüllt ist, was beispielhaft für einen der an der ersten Seite 124,224 vorliegenden Verbdingungsbereiche 150 durch die schwarze Färbung verdeutlicht ist. Genauer wird der Hohlraum 1522 begrenzt durch den Sickengrund 1524 der Doppelsicke 152, den Sickengrund 2602 der Einfachsicke 260, die zwei insbesondere parallelen Sickenstränge 154 der der Doppelsicke 152 sowie die Sickenflanken der Einfachsicke 260.
Das Dichtmaterial kann bei der Fertigung des Plattenstapels 400 zunächst in einem fließfähigen Zustand in die Doppelsicke 152 eindosiert werden, wobei die benachbarte Platte anschließend derart aufgesetzt wird, dass die Einfachsicke 260 in der Doppelsicke 152 aufgenommen wird. Die Höhe des Hohlraums 1522 in Stapelrichtung wird durch die Differenz der Sickentiefe 1521 der Doppelsicke 152 und der Sickentiefe 2601 der Einfachsicke 260 definiert.
Über die Verbindungsbereiche 150 wird der Plattenstapel 400 an der ersten Seite 124,224 mechanisch zusammen gehalten; ferner dichten die Verbindungsbereiche 150 die Strömungskanäle 420 der zweiten Gruppe an der ersten Seite 124,224 ab. Die Strömungskanäle 410 der ersten Gruppe weisen an der ersten Seite 124,224 Einström- und/oder Abströmbereiche auf. Die Einström- und/oder Abströmbereiche werden hierbei durch Abstandselemente 240,241 der ersten und zweiten Trägerplatten 100,200 offengehalten. Konkret ist an den zweiten Trägerplatten 200 ein erstes Abstandselement 240 ausgebildet, das sich entgegen einer Sickentiefe 2601 der Einfachsicke 260 erstreckt. Das erste Abstandselement 240 ist hierbei innerhalb der Einfachsicke 260 angeordnet. An den ersten Trägerplatten 100 ist ein zweites Abstandselement 241 ausgebildet, das sich entgegen einer Sickentiefe 1521 der Doppelsicke 152 erstreckt und innerhalb der Doppelsicke 152 angeordnet ist. Im Zusammenbau liegt das erste Abstandselement 240 an dem zweiten Abstandselement 241 an, sodass der Strömungskanal der ersten Gruppe 410 an der ersten Seite 124,224 für eine Ausströmung bzw. Ausströmung von ersten Fluid 600 offengehalten wird.
Das zweite Fluid 602 strömt in den Kanälen der zweiten Gruppe von Strömungskanälen 420, wobei sich die Durchströmungsrichtung in der Abbildung in die Bildebene hinein erstreckt.
Eine Kanalweite der Strömungskanäle 420 der zweiten Gruppe (insbesondere Trockengaskanäle) wird hierbei durch eine Sickentiefe 1521 der Doppelsicke 152 definiert. Die Sickentiefe der Doppelsicke 152 kann zwischen 0,8 und 2,5 mm, insbesondere zwischen 1,0 und 1,8 mm, betragen.
Bei den Strömungskanälen 410 der ersten Gruppe kann es sich insbesondere um Feuchtgaskanäle 410 handeln. Bei den Strömungskanälen 420 der zweiten Gruppe kann es sich insbesondere um Trockengaskanäle 420 handeln.
An jeder Trägerplatte 100, 200 ist eine selektiv permeable Membran 110,210 befestigt. Eine selektiv permeable Membran 110 der ersten Trägerplatten 100 ist hierbei in einem die Öffnung 130 umlaufenden Randbereich in einer Auflagefläche 128 mit der Trägerplatte 100 verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt. Die erste Trägerplatte 100 weist eine zum Feuchtgaskanal 410 weisende Oberfläche 125 sowie eine zum Trockengaskanal 420 weisende Oberfläche 126 auf. Die selektiv permeable Membran 110 ist an der zum Trockengaskanal 420 weisende Oberfläche 126 befestigt.
Eine selektiv permeable Membran 210 der zweiten Trägerplatten 200 ist in einem die Öffnung 230 umlaufenden Randbereich in einer Auflagefläche 228 mit der Trägerplatte 200 verbunden, insbesondere verklebt oder verschweißt. Die zweite Trägerplatte 200 weist eine zum Feuchtgaskanal 410 weisende Oberfläche 225 sowie eine zum Trockengaskanal 420 weisende Oberfläche 226 auf. Die selektiv permeable Membran 210 ist an der zum Trockengaskanal 420 weisende Oberfläche 226 befestigt.
Allgemeiner formuliert sind die selektiv permeablen Membranen 110,210 jeweils an den Oberflächen der Trägerplatten 100, 200 angeordnet, die den Trockengaskanälen 420 zugewandt sind. Dies hat technische Vorteile, da im Betrieb des Plattenstapels 400 in einer Befeuchtungseinrichtung in den Trockengaskanälen ein relativer Überdruck gegenüber den Feuchtgaskanälen 410 herrscht. Durch die Anordnung an den Oberflächen der Trägerplatten 100, 200, die den Trockengaskanälen 420 zugewandt sind, wird daher eine verbesserte mechanische Belastbarkeit der Verbindung der selektiv permeablen Membranen 110,210 mit den Trägerplatten 100, 200 erreicht.
In 5 ist ferner die korrespondierende Struktur der Membranabstützelemente 300 beider Trägerplatten 100,200 zu erkennen. Die Membranabstützelemente 300, die insbesondere gitterartig ausgebildet sind, kragen in oder entgegen der Stapelrichtung 500 aus einer Trägerplattengrundebene 101,201 der jeweiligen Trägerplatte 100,200 aus und stützen sich in Kontaktbereichen jeweils an einem Membranabstützelement 300 einer benachbarten Trägerplatte 100,200 ab. Durch diesen abstützenden Kontakt wird die mechanische Belastbarkeit, insbesondere gegen eine Einwirkung von Druckkräften in Stapelrichtung 500, deutlich verbessert. Genauer kragen die Membranabstützelemente 300 derart in oder entgegen der Stapelrichtung 500 aus einer Trägerplattengrundebene 101,201 der jeweiligen Trägerplatte 100,200 aus, dass der abstützende Kontakt in einem Feuchtgaskanal 410 stattfindet. Aufgrund des bereits beschriebenen relativen Überdrucks in den Trockengaskanälen 420 im Betrieb des Plattenstapels 400 in einer Befeuchtungseinrichtung ist eine Abstützung im Feuchtgaskanal 410 daher technisch vorteilhaft. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann in den Trockengaskanälen 420 ein weiteres Membranabstützelement vorhanden sein, welches insbesondere lose zwischen die Trägerplatten 100,200 eingelegt sein kann.
Bei der in der Abbildung linken (ersten bzw. endständigen) Trägerplatte 100 ist zudem die Einfachsicke 160 zu erkennen - deren Funktion wird anhand 7 im Detail beschrieben.
In 7 ist Detail BX der 6, die den Schnitt BW-BW gemäß 1 zeigt, dargestellt. Hierin sind insbesondere die an der zweiten Seite 122,222 vorgesehenen Einström- und/oder Abströmbereiche der zweiten Gruppe von Strömungskanälen 420 sowie die an der zweiten Seite 122,222 vorgesehenen Verbindungsbereiche 250 gut zu erkennen. An der zweiten Seite 122,222 umfassen die ersten Trägerplatten 100 eine Einfachsicke 160 und die zweiten Trägerplatten 200 eine Doppelsicke 252. Die Einfachsicke 160 ist hierbei zur Bildung des Verbindungsbereichs 250 zumindest teilweise in der Doppelsicke 252 aufgenommen. Zwischen der Doppelsicke 252 und der Einfachsicke 160 ist wiederum ein Hohlraum 2522 gebildet, der mit einem Dichtmaterial ausgefüllt ist, was beispielhaft für einen der an der ersten Seite 122,222 vorliegenden Verbindungsbereiche 250 durch die schwarze Färbung verdeutlicht ist. Genauer wird der Hohlraum 2522 begrenzt durch den Sickengrund 2524 der Doppelsicke 252, den Sickengrund 1602 der Einfachsicke 160, die zwei insbesondere parallelen Sickenstränge 254 der der Doppelsicke 252 sowie die Sickenflanken der Einfachsicke 160.
Das Dichtmaterial kann bei der Fertigung des Plattenstapels 400 zunächst in einem fließfähigen Zustand in die Doppelsicke 252 eindosiert werden, wobei die benachbarte Platte anschließend derart aufgesetzt wird, dass die Einfachsicke 160 in der Doppelsicke 252 aufgenommen wird. Die Höhe des Hohlraums in Stapelrichtung wird durch die Differenz der Sickentiefe 2521 der Doppelsicke 252 und der Sickentiefe 1601 der Einfachsicke 160 definiert.
Über die Verbindungsbereiche 250 wird der Plattenstapel 400 an der zweiten Seite 122,222 mechanisch zusammengehalten; ferner dichten die Verbindungsbereiche 250 die Strömungskanäle 410 der ersten Gruppe an der zweiten Seite 122,222 ab. Die Strömungskanäle 420 der zweiten Gruppe weisen an der zweiten Seite 122,222 Einström- und/oder Abströmbereiche auf. Die Einström- und/oder Abströmbereiche werden hierbei durch Abstandselemente 140,141 der ersten und zweiten Trägerplatten 100,200 offengehalten. Konkret ist an den zweiten Trägerplatten 200 ein viertes Abstandselement 141 ausgebildet, das sich entgegen einer Sickentiefe 2521 der Doppelsicke 252 erstreckt. Das vierte Abstandselement 141 ist hierbei außerhalb der Doppelsicke 252 angeordnet. An den ersten Trägerplatten 100 ist ein drittes Abstandselement 140 ausgebildet, das sich entgegen einer Sickentiefe 1602 der Einfachsicke 160 erstreckt und außerhalb der Einfachsicke 160 angeordnet ist. Im Zusammenbau liegt das vierte Abstandselement 141 an dem dritten Abstandselement 140 an, sodass der Strömungskanal der zweiten Gruppe 420 an der zweiten Seite 122,222 für eine Ausströmung bzw. Ausströmung von zweitem Fluid 602 offengehalten wird.
Das erste Fluid 600 strömt in den Strömungskanälen 410 der ersten Gruppe von Strömungskanälen, wobei sich die Durchströmungsrichtung in der Abbildung in die Bildebene hinein erstreckt.
Eine Kanalweite der Strömungskanäle 410 der ersten Gruppe (insbesondere Feuchtgaskanäle) wird hierbei durch eine Sickentiefe 2521 der Doppelsicke 252 definiert. Die Sickentiefe der Doppelsicke 252 kann zwischen 0,5 und 1,8 mm, insbesondere zwischen 0,7 und 1,5 mm, betragen.
Generell gilt, dass es aufgrund eines geringeren zu erwartenden Druckverlusts technisch vorteilhaft ist, wenn die Kanalweite (Erstreckung in Stapelrichtung) in den Trockengaskanälen 420 größer ist als die Kanalweite in den Feuchtgaskanälen 410.
In 9 ist Detail BP der 8, die den Schnitt BN-BN gemäß 1 zeigt, dargestellt. Die Schnittebene des Schnitts BN-BN verläuft hierbei in Stapelrichtung und parallel zu der ersten Seite 124,224 (Längsseite) des Plattenstapels 400 durch die an der ersten Seite 124,224 vorgesehenen ersten und zweiten Abstützelemente 240,241. Mit anderen Worten verläuft die Schnittebene durch die Sickengründe 1524,2602 der an der ersten Seite 124,224 vorhandenen Einfachsicke der 260 zweiten Trägerplatte 200 sowie der Doppelsicke 152 der ersten Trägerplatte 100. Die ersten und zweiten Abstützelemente 240,241 sind als aus einem Trägerplattenmaterial tiefgezogener Dom ausgebildet. Ferner ist der beiderseitige abstützende Kontakt der ersten und zweiten Abstützelemente 240,241, die den Strömungskanal 410 der ersten Gruppe offenhalten gut zu erkennen.
10 zeigt zwei einzelne Trägerplatten 100,200, die zwischen sich einen Trockengaskanal 420 zur Führung des zweiten Fluids 602 begrenzen. Die Trägerplatten 100,200 sind der Einfachheit halber ohne selektiv permeable Membranen dargestellt.
Die Doppelsicken 152,252 der ersten und zweiten Trägerplatte 100,200 weisen jeweils zwei Sickenstränge 154,254 auf, die insbesondere parallel zueinander verlaufen und zwischen denen ein jeweiliger Sickengrund 1524,2524 ausgebildet ist. Zumindest einer der Sickenstränge 154,254 der Doppelsicken 152,252 weist jeweils zumindest einen Entlüftungsbereich 1523,2523 auf, in dem eine Sickentiefe zumindest eines der Sickenstränge 154,254 lokal reduziert ist. Der Entlüftungsbereich 1523,2523 erlaubt in der Produktion des erfindungsgemäßen Plattenstapels eine von Lufteinschlüssen freie Verklebung benachbarter Trägerplatten, da nach dem Eindosieren des Dichtmaterials in die Doppelsicken 152,252 durch die Einführung der Einfachsicken einer benachbarten Trägerplatte verdrängte Luft durch die Entlüftungsbereiche 1523,2523 entweichen kann.
Insbesondere weist jeder Sickenstrang 154,254 zumindest einen Entlüftungsbereich 1523,2523 auf. Bevorzugt weist jeder Sickenstrang 154,254 mehrere Entlüftungsbereiche 1523,2523 auf, die in Sickenlängsrichtung beabstandet sind. Die Entlüftungsbereiche 1523,2523 können aufgrund des bevorzugten Fertigungsverfahrens für die Trägerplatten 100,200 mittels Umformen in einem gemeinsamen Verfahrensschritt mit deren weiteren Vorrichtungsbestandteilen erzeugt werden.
Bezüglich der Detailstruktur des zumindest einen Entlüftungsbereichs 2523 der Doppelsicke 252 der zweiten Trägerplatte 200 wird auf 11 verwiesen, die das Detail BQ der 10 zeigt.
Bezüglich der Detailstruktur des zumindest einen Entlüftungsbereichs 1523 der Doppelsicke 152 der ersten Trägerplatte 100 wird auf 12 verwiesen, die das Detail BR der 10 zeigt.
In den 13 bis 14c ist eine erste Trägerplatte 100 in einer Draufsicht, einer Schnittansicht BG-BG sowie zwei Detailansichten BJ und BH der Schnittansicht gezeigt. Die Trägerplatte 100 verfügt über einen Rahmen 120, der die Öffnung 130 umläuft. Im Bereich des Rahmens 120 ist an einer im Zusammenbau zu dem Trockengaskanal weisenden Oberfläche 126 eine Auflagefläche 128 für die selektiv permeable Membran ausgebildet, in der diese mit dem Rahmen 120 verbunden wird. Eine in der Ansicht rückwärtige Seite des Rahmens 120 bildet eine im Zusammenbau zum Feuchtgaskanal weisende Oberfläche 125. In 14b ist die Detailstruktur der an der ersten Seite 124 (Längsseite) ausgebildeten Doppelsicke 152 gezeigt. Die Doppelsicke 152 umfasst zwei parallele Sickenstränge 154 zwischen denen sich ein Sickengrund 1524 befindet. Die Doppelsicke 152 hat eine Sickentiefe 1521, die der Tiefe der Sickenstränge 154 entspricht. Der Sickengrund 1524 verläuft in derselben Ebene wie die Trägerplattengrundebene 101. Ferner weist die erste Trägerplatte 100 an der ersten Seite 124 (Längsseite) ein zweites Abstandselement 241 auf, das sich in Stapelrichtung entgegen der Sickentiefe 1521 der Doppelsicke 152 erstreckt. Das zweite Abstandselement 241 ist hierbei so positioniert, dass es quer zur Stapelrichtung gesehen, innerhalb der beiden Sickenstränge 154 liegt bzw. die beiden Sickenstränge 154 das zweite Abstandselement 241 quer zur Stapelrichtung gesehen flankieren. Das zweite Abstandselement 241 ist in Stapelrichtung versetzt zur Trägerplattengrundebene 101 angeordnet. Das zweite Abstandselement 241 kann dabei insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 0,7 bis 1,1 mm, von der Trägerplattengrundebene 101 abragen. Entlang einer Längserstreckung der Doppelsicke 1521 verteilt liegt eine Mehrzahl von zweiten Abstandselementen 241 vor.
14c zeigt ein drittes Abstandselement 140, das an der zweiten Seite 122 (Querseite) der ersten Trägerplatte 100 vorliegt. Das dritte Abstandselement 140 ist quer zur Stapelrichtung gesehen außerhalb einer an der zweiten Seite 122 vorliegenden Einfachsicke 160 angeordnet. Das dritte Abstandselement 140 ist in Stapelrichtung versetzt zur Trägerplattengrundebene 101 angeordnet, jedoch in einer dem zweiten Abstandselement 241 entgegen gesetzten Richtung. Das dritte Abstandselement 140 kann dabei insbesondere in einem Bereich von 0,4 bis 1,1 mm, insbesondere 0,6 bis 0,8 mm, von der Trägerplattengrundebene 101 abragen. Entlang einer Längserstreckung der zweiten Seite 122 (Querseite) verteilt liegt eine Mehrzahl von dritten Abstandselementen 140 vor.
In den 15 bis 16c ist eine zweite Trägerplatte 200 in einer Draufsicht, einer Schnittansicht BK-BK sowie zwei Detailansichten BL und BM der Schnittansicht gezeigt. Die Trägerplatte 200 verfügt über einen Rahmen 220, der die Öffnung 230 umläuft. Im Bereich des Rahmens 220 ist an einer im Zusammenbau zu dem Trockengaskanal weisenden Oberfläche 226 eine Auflagefläche 228 für die selektiv permeable Membran ausgebildet, in der diese mit dem Rahmen 220 verbunden wird. Die Auflagefläche 228 sowie die zu dem Trockengaskanal weisende Oberfläche 226 befinden sich in der Ansicht an einer rückwärtigen Seite des Rahmens 220. Die in der Ansicht nach vorne weisende Seite des Rahmens 220 bildet im Zusammenbau eine zum Feuchtgaskanal weisende Oberfläche 225. In 16b ist die Detailstruktur der an der ersten Seite 224 (Längsseite) ausgebildeten Einfachsicke 260 gezeigt. Die Einfachsicke 260 umfasst einen Sickenstrang, der einen Sickengrund 2602 bildet. Die Einfachsicke 260 hat eine Sickentiefe 2601, die einer Erstreckung des Sickenstrangs in Stapelrichtung entspricht. Der Sickengrund 2602 verläuft in Stapelrichtung versetzt zur Trägerplattengrundebene 201. Ferner weist die zweite Trägerplatte 200 an der ersten Seite 224 (Längsseite) ein erstes Abstandselement 240 auf, das sich in Stapelrichtung entgegen der Sickentiefe 2601 der Einfachsicke 260 erstreckt. Das erste Abstandselement 240 ist hierbei so positioniert, dass es quer zur Stapelrichtung gesehen, innerhalb der Einfachsicke 260 liegt bzw. Sickenwänden der Einfachsicke 260 flankiert wird. Entlang einer Längserstreckung der Einfachsicke 260 verteilt liegt eine Mehrzahl von ersten Abstandselementen 240 vor.
16c zeigt ein viertes Abstandselement 141, das an der zweiten Seite 222 (Querseite) der zweiten Trägerplatte 200 vorliegt. Das vierte Abstandselement 141 ist quer zur Stapelrichtung gesehen außerhalb einer an der zweiten Seite 222 vorliegenden Doppelsicke 252 angeordnet. Das vierte Abstandselement 141 ist in Stapelrichtung versetzt zur Trägerplattengrundebene 201 angeordnet, jedoch in einer dem ersten Abstandselement 240 entgegen gesetzten Richtung. Das vierte Abstandselement 141 kann dabei insbesondere in einem Bereich von 0,4 bis 1,1 mm, insbesondere 0,6 bis 0,8 mm, von der Trägerplattengrundebene 201 abragen. Entlang einer Längserstreckung der zweiten Seite 222 (Querseite) verteilt liegt eine Mehrzahl von vierten Abstandselementen 141 vor.
Die ersten und zweiten Trägerplatten 100,200 weisen jeweils an ihren ersten Seiten 124,224 (Längsseiten) eine zur Außenseite offene Ausnehmung 170, 270 auf. Durch Stapelung einer Mehrzahl von Trägerplatten in Stapelrichtung wird hierdurch eine in Stapelrichtung 500 verlaufende Aufnahmenut 432 für eine Dichtung 430 (siehe 17) gebildet werden.
17 zeigt einen Plattenstapel 400 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufbau in isometrischer Darstellung, während in 18 ein Plattenstapel 400 in einem fertigen Zustand, d.h. mit Endplatten 11 dargestellt ist. Die Endplatten 11 begrenzen den Plattenstapel 400 in Stapelrichtung beidseitig.
Im Plattenstapel 400 sind jeweils erste und zweite Gruppen von quer zueinander durchströmbar ausgebildeten Strömungskanälen 410, 420 ausgebildet, welche durch die selektiv permeablen Membranen 110, 210, insbesondere wasserdampfdurchlässige Membranen 110, 210, der Trägerplatten 100, 200 getrennt sind. Dabei werden durch jeweils drei der alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten 100, 200 zwei der quer zueinander durchströmbar ausgebildeten Strömungskanäle 410, 420 gebildet.
Die ersten Strömungskanäle 410 für den zweiten Fluidstrom 602, beispielsweise die Zuluft der Brennstoffzelle, verlaufen dabei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel waagrecht durch den Plattenstapel 400, während die zweiten Strömungskanäle 420 für den ersten Fluidstrom 600, beispielsweise das Abgas der Brennstoffzelle, senkrecht von oben nach unten durch den Plattenstapel 400 verlaufen.
An einer Außenseite des Plattenstapels 400 ist eine Aufnahmenut 432 für eine axiale oder radiale Dichtung 430 angeordnet, welche durch zur Außenseite offene Ausnehmungen bzw. Einschnitte 170, 270 in den Rahmen 120, 220 der aufeinander folgenden Trägerplatten 100, 200 gebildet wird. Mit der Dichtung 430 kann der Eintrittsbereich des ersten Fluidstroms 600, also des Abgases der Brennstoffzelle, beim Einbau des Plattenstapels 400 in das Gehäuse 1002 einer Befeuchtungseinrichtung 1000, wie es in 19 dargestellt ist, abgedichtet werden. Ein sonst auftretende Bypass-Strömung im Gehäuse 1002 kann so wirksam verhindert werden.
19 zeigt eine Befeuchtungseinrichtung 1000, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung.
Die Befeuchtungseinrichtung 1000 weist ein Gehäuse 1002 auf, welches wenigstens einen Eingang 1004 für ein erstes Fluid 600, insbesondere ein Abgas des Brennstoffzellensystems, einen Eingang 1008 für ein zweites Fluid 602, insbesondere einer Zuluft des Brennstoffzellensystems, einen Ausgang 1006 für das erste Fluid 600 und einen Ausgang 1010 für das zweite Fluid 602 aufweist. In dem Gehäuse 1002 ist ein Plattenstapel 400, wie in 18 dargestellt, angeordnet, in dem eine Mehrzahl in einer Stapelrichtung 500 alternierend aufeinander folgenden ersten und zweiten Trägerplatten 100, 200 angeordnet sind.
Jeweils drei der alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten 100, 200 bilden eine erste und eine zweite Gruppe quer zueinander durchströmbar ausgebildeten Strömungskanäle 410, 420. Die erste Gruppe der Strömungskanäle 410 ist zwischen dem Eingang 1008 und dem Ausgang 1010 für das zweite Fluid 602 und die zweite Gruppe der Strömungskanäle 420 ist zwischen dem Eingang 1004 und dem Ausgang 1006 für das erste Fluid 600 angeordnet.
Bezugszeichen

100: Erste Trägerplatte
101: Trägerplattengrundebene
110: Selektiv permeable Membran
120: Erster Rahmen
122: Zweite Seite / Querseite
124: Erste Seite / Längsseite
125: Zum Feuchtgaskanal weisende Oberfläche der ersten Trägerplatte
126: Zum Trockengaskanal weisende Oberfläche der ersten Trägerplatte
128: Auflagefläche
130: Öffnung
140: Drittes Abstandselement
141: Viertes Abstandselement
150: Verbindungsbereich
152: Doppelsicke
1521: Sickentiefe der Doppelsicke
1522: Hohlraum
1523: Entlüftungsbereich
1524: Sickengrund
154: Sickenstrang
160: Einfachsicke
1601: Sickentiefe der Einfachsicke
1602: Sickengrund
170: Offene Ausnehmung
200: Zweite Trägerplatte
201: Trägerplattengrundebene
210: Selektiv permeable Membran
220: Zweiter Rahmen
222: Zweite Seite / Querseite
224: Erste Seite / Längsseite
225: Zum Feuchtgaskanal weisende Oberfläche der zweiten Trägerplatte
226: Zum Trockengaskanal weisende Oberfläche der zweiten Trägerplatte
228: Auflagefläche
230: Öffnung
240: Erstes Abstandselement
241: Zweites Abstandselement
250: Verbindungsbereich
252: Doppelsicke
2521: Sickentiefe der Doppelsicke
2522: Hohlraum
2523: Entlüftungsbereich
2524: Sickengrund
254: Sickenstrang
260: Einfachsicke
2601: Sickentiefe der Einfachsicke
2602: Sickengrund
270: Offene Ausnehmung
300: Membranabstützelement
400: Plattenstapel
410: Erster Strömungskanal / Feuchtgaskanal
420: Zweiter Strömungskanal / Trockengaskanal
430: Dichtung
432: Aufnahmenut
500: Stapelrichtung
600: Erstes Fluid (Abgas)
602: Zweites Fluid (Zuluft)
1000: Befeuchtungseinrichtung
1002: Gehäuse
1004: Eingang erstes Fluid
1006: Ausgang erstes Fluid
1008: Eingang zweites Fluid
1010: Ausgang zweites Fluid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016014895 A1 [0007]
DE 102019123534 A1 [0007]
DE 102013020503 A1 [0008]

Claims

Plattenstapel (400) für eine Befeuchtungseinrichtung (1000), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (500) alternierend aufeinander folgenden ersten und zweiten Trägerplatten (100, 200), die jeweils einen umlaufenden Rahmen (120, 220) aufweisen, der eine Öffnung (130, 230) umgibt, wobei im Plattenstapel (400) erste und zweite Gruppen von Strömungskanälen (410, 420) ausgebildet sind, die jeweils durch selektiv permeable Membranen (110, 210), insbesondere wasserdampfdurchlässige Membranen (110, 210), getrennt sind, wobei jeweils drei der alternierend aufeinanderfolgenden ersten und zweiten Trägerplatten (100, 200) zwei der Strömungskanäle (410, 420) bilden, wobei jeweils zwei in Stapelrichtung (500) aufeinanderfolgende erste (100) und zweite Trägerplatten (200) an jeweils zumindest zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten (124,224) durch einen Verbindungsbereich (150,250) fluiddicht miteinander verbunden sind, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten (122,222) zwischen den Trägerplatten (100, 200) jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich der ersten Gruppe von Strömungskanälen (410) ausgebildet ist, und wobei jeweils zwei in Stapelrichtung (500) aufeinanderfolgende zweite (200) und erste Trägerplatten (100) an jeweils zumindest zwei quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden zweiten Seiten (122,222) durch einen Verbindungsbereich (150,250) fluiddicht miteinander verbunden sind, während an zumindest zwei ihrer quer zur Stapelrichtung gegenüberliegenden ersten Seiten (124,224) zwischen den Trägerplatten (100, 200) jeweils ein Einström- und/oder Abströmbereich der zweiten Gruppe von Strömungskanälen (420) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (150,250) jeweils durch eine Doppelsicke (152,252) an einer der Trägerplatten (100,200) und eine korrespondierende Einfachsicke (160,260) an der anderen Trägerplatte (100,200) gebildet werden, wobei die Einfachsicke (160,260) zumindest abschnittsweise in der Doppelsicke (152,252) aufgenommen ist.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 1, wobei die Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen (410) und/oder der zweiten Gruppe von Strömungskanälen (420) jeweils wenigstens ein Abstandselement (140,141,240,241) zum Beabstanden der benachbarten Trägerplatten (100,200) aufweisen, wobei sich das Abstandselement (140,141,240,241) von zumindest einer der Trägerplatten (100,200) in oder entgegen der Stapelrichtung (500) weg erstreckt und an einer benachbarten Trägerplatte (100,200) abstützt.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 2, wobei an den ersten Seiten (124,224) der Trägerplatten (100,200) ein erstes Abstandselement (240) innerhalb einer an der ersten Seite (124,224) einer der Trägerplatten (100,200) vorliegenden Einfachsicke (160,260) vorliegt und sich insbesondere entgegen einer Sickentiefe (1601,2601) der Einfachsicke (160,260) erstreckt.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 3, wobei sich das erste Abstandselement (240) an einem zweiten Abstandselement (241) einer benachbarten Trägerplatte (100,200) abstützt, wobei sich das zweite Abstandselement (241) insbesondere entgegen einer Sickentiefe (1521,2521) einer an der ersten Seite (124,224) der benachbarten Trägerplatte (100,200) vorliegenden Doppelsicke (152,252) erstreckt, wobei insbesondere das zweite Abstandselement (241) innerhalb der Doppelsicke (152,252) vorliegt.
Plattenstapel (400) nach einem der Ansprüche 2-4, wobei an den zweiten Seiten (122,222) der Trägerplatten (100,200) an einer der Trägerplatten (100,200) ein drittes Abstandselement (140) vorliegt, das sich insbesondere entgegen einer Sickentiefe einer an der zweiten Seite (122,222) einer der Trägerplatten (100,200) vorliegenden Einfachsicke (160,260) erstreckt, wobei das dritte Abstandselement (140) insbesondere in einem außerhalb der Einfachsicke (160,260) liegenden Bereich vorliegt.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 5, wobei sich das dritte Abstandselement (140) an einem vierten Abstandselement (141) einer benachbarten Trägerplatte (100,200) abstützt, wobei sich das vierte Abstandselement (141) insbesondere entgegen einer Sickentiefe einer an der zweiten Seite (122,222) der benachbarten Trägerplatte (100,200) vorliegenden Doppelsicke (152,252) erstreckt, wobei das vierte Abstandselement (141) insbesondere in einem außerhalb der Doppelsicke (152,252) liegenden Bereich vorliegt.
Plattenstapel (400) nach einem der Ansprüche 3-6, wobei die Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen (410) an den ersten Seiten der Trägerplatten (100,200) durch die ersten und zweiten Abstandselemente (240,241) gebildet werden und/oder die Einström- und/oder Abströmbereiche der zweiten Gruppe von Strömungskanälen (420) an den zweiten Seiten der Trägerplatten (100,200) durch die dritten und vierten Abstandselemente (140,141) gebildet werden.
Plattenstapel (400) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das wenigstens eine Abstandselement (140,141,240,241) als lokale Erhebung ausgebildet ist, insbesondere als tiefgezogener Dom, wobei bevorzugt im Bereich der Einström- und/oder Abströmbereiche der ersten Gruppe von Strömungskanälen (410) und/oder der zweiten Gruppe von Strömungskanälen (420) eine Mehrzahl beabstandeter Abstandselemente (140,141,240,241) vorliegt.
Plattenstapel (400) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine Sickentiefe und/oder Sickenweite der Einfachsicke (160,260) geringer ist als eine Sickentiefe und/oder Sickenweite der Doppelsicke (152,252) und wobei zwischen der Einfachsicke (160,260) und der Doppelsicke (152,252) ein Hohlraum (1522,2522) gebildet ist, der von einem Dichtmaterial zumindest teilweise ausgefüllt ist.
Plattenstapel (400) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Doppelsicke (152,252) zumindest zwei beabstandete, insbesondere parallel verlaufende, Sickenstränge (154,254) aufweist, zwischen denen die Einfachsicke (160,260) aufgenommen ist.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 10, wobei die Sickenstränge (154,254) der Doppelsicke (152,252) zumindest einen Entlüftungsbereich (1523,2523) aufweisen, in dem eine Sickentiefe zumindest eines der Sickenstränge (154,254) lokal reduziert ist.
Plattenstapel (400) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Sickengrund (1602,2602) der Einfachsicke (160,260) versetzt, insbesondere parallel versetzt, zu einer Trägerplattengrundebene (101,201) ist und/oder ein Sickengrund (1524,2524) der Doppelsicke (152,252) in der Trägerplattengrundebene (101,201) liegt.
Plattenstapel (400) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die erste Gruppe von Strömungskanälen (410) Feuchtgaskanäle (410) umfasst und die zweite Gruppe von Strömungskanälen (420) Trockengaskanäle (420) umfasst.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 13, wobei - in an die Trockengaskanäle (420) angrenzenden Bereichen der Trägerplatten (100,200) die selektiv permeablen Membranen (110, 210) jeweils an einer zu dem jeweiligen Trockengaskanal (420) weisenden Oberfläche (126,226) der Trägerplatten (100,200) vorliegen und/oder - in an die Feuchtgaskanäle (410) angrenzenden Bereichen der Trägerplatten (100,200) die selektiv permeablen Membranen (110, 210) jeweils an einer dem jeweiligen Feuchtgaskanal (410) abgewandten Oberfläche (126,226) der Trägerplatten (100,200) vorliegen.
Plattenstapel (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einer Außenseite des Plattenstapels (400) wenigstens eine Aufnahmenut (432) für eine Dichtung (430) vorliegt, wobei insbesondere die aufeinander folgenden Trägerplatten (100, 200) jeweils eine zur Außenseite offene Ausnehmung (170, 270) aufweisen, durch die eine in Stapelrichtung (500) verlaufende Aufnahmenut (432) gebildet wird.
Plattenstapel (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen zwei benachbarten selektiv permeablen Membranen (110,210) ein Membranabstützelement (300) vorliegt, das die Öffnung (130,230) der Trägerplatten (100,200) vollflächig überspannt, wobei das Membranabstützelement (300) insbesondere gitterartig ausgebildet ist.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 16, wobei das Membranabstützelement (300) auf eine jeweilige erste und/oder zweite Trägerplatte (100, 200) aufgelegt ist, insbesondere mit dem Rahmen (120, 220) verklebt ist.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 16, wobei das Membranabstützelement (300) einteilig mit den Trägerplatten (100,200) ausgebildet ist, insbesondere wobei jede Trägerplatte (100,200) ein Membranabstützelement (300) umfasst.
Plattenstapel (400) nach Anspruch 18, wobei die den ersten Trägerplatten (100) zugeordneten Membranabstützelemente (300) unterschiedlich zu den den zweiten Trägerplatten (200) zugeordneten Membranabstützelementen (300) ausgebildet sind, insbesondere wobei sich die Membranabstützelemente (300) in einer Höhe und/oder einem Fadenabstand und/oder einem Winkel einer Haupterstreckungsrichtung unterscheiden.
Plattenstapel (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die selektiv permeablen Membranen (110, 210) die Öffnungen (130, 230) der Trägerplatten jeweils vollflächig abdecken, wobei insbesondere die selektiv permeablen Membranen (110, 210) jeweils in einem die Öffnungen (130, 230) umlaufenden Randbereich mit einer Oberfläche der Trägerplatten (100,200) verbunden sind, insbesondere verschweißt oder verklebt.
Plattenstapel (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatten (100,200) ein metallisches Blechmaterial, insbesondere Stahlblech, aufweisen oder daraus bestehen und/oder wobei die ersten und zweiten Seiten (122,222,124,224) der Trägerplatten (100,200) jeweils in einem außerhalb der Öffnung (130,230) liegenden Randbereich des Rahmens (120,220) vorliegen.
Befeuchtungseinrichtung (1000) für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse (1002), das wenigstens einen Eingang (1004) für ein erstes Fluid (600), insbesondere ein Abgas des Brennstoffzellensystems, einen Eingang (1008) für ein zweites Fluid (602), insbesondere einer Zuluft des Brennstoffzellensystems, einen Ausgang (1006) für das erste Fluid (600) und einen Ausgang (1010) für das zweite Fluid (602) aufweist, und mit einem Plattenstapel umfassend eine Mehrzahl an selektiv permeablen Membranen (110, 210), der einen Fluidpfad des ersten Fluids (600) von einem Fluidpfad des zweiten Fluids (602) trennt und einen Feuchteübertrag von dem ersten Fluid (600) auf das zweite Fluid (602) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenstapel ein Plattenstapel (400) nach einem der Ansprüche 1-21 ist.