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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Befeuchter.
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Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen ist bekannt und nimmt an Bedeutung zu. Die Brennstoffzellen sind üblicherweise aufeinandergestapelt, also in einem Stapel - auch „Stack“ genannt - zusammengefasst.
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In solchen Brennstoffzellensystemen kommen Einrichtungen zum Befeuchten eines Fluids, im Folgenden als Befeuchter bezeichnet, zum Einsatz. Üblicherweise umfassen solche Befeuchter einen Membranstapel mit entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten Membranen, welche für Gas undurchlässig und für Feuchtigkeit bzw. Wasser oder Wasserdampf durchlässig sind. Eine derart ausgebildete Membran des Membranstapels wird im Befeuchter jeweils auf einer Seite von einem zu befeuchtenden Gas und auf der anderen Seite von einem feuchten Gas überströmt. Die beiden Gase sind hierbei durch die Membran fluidisch voneinander getrennt. Somit kommt es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden den Befeuchter und den Membranstapel durchströmenden Gase. Allerdings kann die Feuchtigkeit des feuchteren Fluids entlang der Stapelrichtung durch die Membran treten und vom trockeneren Gas zu dessen Befeuchtung aufgenommen werden. Die Feuchtigkeit der beiden Gase gleicht sich folglich beim Durchströmen des Membranstapels an. Besagte Membranen weisen in herkömmlichen Befeuchtern aus Bauraum-Gründen und aus Gründen der einfachen Herstellbarkeit typischerweise einen quadratischen Querschnitt auf.
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Als nachteilig erweist sich vor diesem Hintergrund, dass das Material der Membranen vergleichsweise teuer ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Befeuchten neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll ein Befeuchter geschaffen werden, der gegenüber herkömmlichen Befeuchtern bei gleicher Leistungseffizienz betreffend die Übertragung von Wasser durch das Membranmaterial hindurch mit geringeren Herstellungskosten gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, die einzelnen Membranen eines Membranstapels mit einer - im Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung - längsförmigen Geometrie und nicht mehr, wie aus herkömmlichen Befeuchtern bekannt, mit einer quadratischen Geometrie zu versehen. Denn es hat sich auf überraschende Weise gezeigt, dass Membrane eine Primärzone besitzen, in welcher die Übertragung von Wasser durch die Membran hindurch zum großen Teil stattfindet. Untersuchungen bei Membranen mit quadratischer Geometrie haben gezeigt, dass die Übertragung von Wasser primär im Bereich der Diagonalen des Quadrats stattfindet. Die für den Großteil der Wasserübertragung verantwortliche Primärzone erstreckt sich also entlang der Diagonalen des Quadrats. Demgegenüber wird durch die eine zur Primärzone komplementäre Sekundärzone relativ wenig Wasser transportiert. Daher besteht der wesentliche Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung darin, die Erstreckung der Membran im Wesentlichen auf besagte Primärzone zu beschränken. Auf diese Weise kann ohne wesentliche Leistungseinbuße hinsichtlich der durch die Membran hindurch übertragbare Wassermenge in erheblichem Maße Membranmaterial eingespart werden.
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Im Einzelnen umfasst der erfindungsgemäße Befeuchter einen Membranstapel, der mehrere entlang einer Stapelrichtung im Abstand zueinander aufeinandergestapelte Membranen aufweist. Zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung benachbarten Membranen gebildete Zwischenräume bilden in Stapelrichtung abwechselnd einen von zu trocknender erster Luft durchströmbaren ersten Luftpfad und einen von zu befeuchtender zweiter Luft durchströmbaren zweiten Luftpfad aus. Die ersten Luftpfade erstrecken sich jeweils entlang einer ersten Luftpfadrichtung. Die zweiten Luftpfade erstrecken sich jeweils entlang einer zweiten Luftpfadrichtung, die quer, vorzugsweise orthogonal, zur ersten Luftpfadrichtung verläuft. Sowohl die erste Luftpfadrichtung und als auch die zweite Luftpfadrichtung erstreckt sich senkrecht zur Stapelrichtung. Die einzelnen Membranen umfassen jeweils ein luftdichtes, also luftundurchlässiges, und gleichzeitig feuchtigkeitsdurchlässiges Membranmaterial oder bestehen aus eine solchen Membranmaterial. Das Membranmaterial kann insbesondere Perfluorsulfonsäure (PFSA) sein. Somit kann in der ersten Luft vorhandenes Wasser durch die Membranen auf die zweite Luft übertragen werden. In einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung ist wenigstens eine Membran des Membranstapels längsförmig ausgebildet und weisen eine sich entlang einer Längserstreckungsrichtung gemessene Längserstreckung auf, die größer ist als eine orthogonal zur Längserstreckungsrichtung gemessene Quererstreckung. Bevorzugt sind wenigstens zwei, besonders bevorzugt alle Membranen des Membranstapels, derart ausgebildet. Erfindungsgemäß sind die erste Luftpfadrichtung und die Längserstreckungsrichtung unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Bei einer solchen Konfiguration erstreckt sich die oben erläuterte Primärzone betreffend die ein Quadrat aufspannenden beiden Luftpfadrichtungen im Wesentlichen entlang der Diagonale des Quadrats, welches besagte Primärzone ausbildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchters beträgt der spitze Winkel zwischen 20° und 60°, vorzugsweise zwischen 30° und 45°, höchst vorzugsweise ungefähr 45°. Somit erstreckt sich die Membran entlang besagter Diagonale eines Quadrats. Auf diese Weise wird ein Befeuchter mit besonders hoher Leistungseffizienz betreffend die Übertragung von Wasser durch die Membran hindurch bei gleichzeitig geringen Flächenbedarf für die Membran und somit für das Membranmaterial geschaffen.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist/weisen in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung wenigstens eine Membran, vorzugsweise alle Membranen, die Geometrie eines Vierecks mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten auf. Solche Membranen technisch einfach herzustellen somit besonders kostengünstig
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Besonders kann das Viereck ein Rechteck sein.
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Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis wenigstens einer der beiden Breitseiten zu wenigstens einer der beiden Schmalseiten wenigstens 2:1, vorzugsweise wenigstens 3:1, höchst vorzugsweise wenigstens 5:1.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt eine Seitenlänge wenigstens einer der beiden Breitseiten zwischen 100 mm und 300 mm. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Ausführungsform eine Seitenlänge wenigstens einer der beiden Schmalseiten zwischen 20 mm und 150 mm betragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Befeuchter einen ersten Lufteinlass zum Einleiten von erster Luft in den Befeuchter und einen ersten Luftauslass zum Ausleiten der ersten Luft aus dem Befeuchter. Der erste Lufteinlass und der erste Luftauslass liegen einander in der ersten Luftpfadrichtung gegenüber. Der Membranstapel ist zwischen dem ersten Lufteinlass und dem ersten Luftauslass angeordnet. Ferner umfasst der Befeuchter bei dieser Weiterbildung einen zweiten Lufteinlass zum Einleiten von zweiter Luft in den Befeuchter und einen zweiten Luftauslass zum Ausleiten der zweiten Luft aus dem Befeuchter. Der erste Lufteinlass und der erste Luftauslass liegen einander in der ersten Luftpfadrichtung gegenüber. Der zweite Lufteinlass und der zweite Luftauslass liegen einander in der zweiten Luftpfadrichtung gegenüber. Der Membranstapel ist auch zwischen dem zweiten Lufteinlass und dem zweiten Luftauslass angeordnet. Auf diese Weise wird eine bezüglich der Luftströmungsrichtung in den beiden Luftpfaden besonders vorteilhafte Geometrie geschaffen, bei welcher die von trockener bzw. feuchter Luft so überstrichen werden, dass sich Membranmaterial gerade in demjenigen Bereich befindet, in welchem ein maximaler Wasserübertrag stattfindet.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Befeuchter ein Gehäuse, welches einen Gehäuseinnenraum umgibt, in welchem der Membranstapel angeordnet ist. Bei dieser Weiterbildung sind im Gehäuse wenigstens vier Gehäuseöffnungen vorgesehen, die den ersten und zweiten Lufteinlass sowie den ersten und zweiten Luftauslass ausbilden. Der erste Lufteinlass und der erste Luftauslass können an zwei einander in der ersten Luftpfadrichtung gegenüberliegenden Gehäusewandungen des Gehäuses angeordnet sein. Der zweite Lufteinlass und der zweite Luftauslass können an zwei einander in der zweiten Luftpfadrichtung gegenüberliegenden Gehäusewandungen des Gehäuses angeordnet sein. Ein derart ausgebildeter Befeuchter ist technisch besonders einfach umsetzbar.
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Besonders bevorzugt kann das Gehäuse die geometrische Formgebung eines Quaders aufweisen. Ein derart ausgebildete Befeuchter baut besonders kompakt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Membranstapel die geometrische Formgebung eines Quaders aufweisen. Bei dieser Weiterbildung ist in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung der Membranstapel unter dem spitzen Winkel zu einer Gehäusewandung des Gehäuses im Gehäuseinnenraum angeordnet, in welcher Gehäusewandung eine der vier Gehäuseöffnungen vorgesehen ist. Dies erlaubt eine einfache Integration des Membranstapels in das Gehäuse, insbesondere wenn auch das Gehäuse die geometrische Formgebung eines Quaders besitzt.
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Die Erfindung betrefft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung, infolge welcher an einer Kathode der Brennstoffzelle feuchte Kathoden-Abluft entsteht bzw. erzeugt wird. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Befeuchter, so dass sich die Vorteile des voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Befeuchters auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem überträgt. Der Befeuchter ist mit der feuchten Kathoden-Abluft, welche die erste Luft bildet, zum Befeuchten trockener Kathoden-Zuluft, welche die zweite Luft bildet, versorgbar.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 in schematischer, stark vereinfachter Darstellung den Membranstapel eines erfindungsgemäßen Befeuchters,
- 2 einen Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung, entlang welcher die einzelnen Membranen des Membranstapels aufeinandergestapelt sind,
- 3 eine die Grundidee der vorliegenden Erfindung illustrierende Darstellung.
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Im Folgenden wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen Befeuchters 1 beispielhaft erläutert. Der Befeuchter 1 kann Teil eines ein Brennstoffzellensystems mit Brennstoffzellen (nicht gezeigt) zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung sein, infolge welcher an einer Kathode der Brennstoffzellen feuchte Kathoden-Abluft entsteht bzw. erzeugt wird. Der Befeuchter 1 umfasst einen in 1 stark vereinfacht dargestellten Membranstapel 2, der mehrere entlang einer Stapelrichtung S im Abstand zueinander aufeinandergestapelte Membranen 3 aufweist. Zwischen jeweils zwei in Stapelrichtung S benachbarten Membranen 3 ist ein jeweiliger Zwischenraum 4 gebildet.
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Die Zwischenräume 4 bilden in der Stapelrichtung S abwechselnd einen von zu trocknender erster Luft L1 - der feuchten Kathoden-Abluft der Brennstoffzelle - durchströmbaren ersten Luftpfad 5a und einen von zu befeuchtender zweiter Luft L2 - der trockenen Kathoden-Zuluft der Brennstoffzelle - durchströmbaren zweiten Luftpfad 5b aus. Die ersten Luftpfade 5a erstrecken sich jeweils entlang einer ersten Luftpfadrichtung R1. Die zweiten Luftpfade 5b erstrecken sich jeweils entlang einer zweiten Luftpfadrichtung R2, die quer, vorzugsweise orthogonal, zur ersten Luftpfadrichtung R2 verläuft. Sowohl die erste Luftpfadrichtung R1 und als auch die zweite Luftpfadrichtung R2 erstreckt sich senkrecht zur Stapelrichtung S. Die Membranen 3 bestehen jeweils aus einem luftdichten, also luftundurchlässigen, aber feuchtigkeitsdurchlässigen Membranmaterial. Somit kann in der durch die ersten Luftpfade 5a geführten ersten Luft L1 vorhandenes Wasser durch die Membranen 3 auf die durch die zweiten Luftpfade 5b geführte zweite Luft L2 übertragen werden.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt durch den Membranstapel 2 senkrecht zur Stapelrichtung. In dem Querschnitt sind die Membranen 3 des Membranstapels 2 - in 2 ist nur eine einzige solche Membran 3 dargestellt - längsförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Membran 3 eine sich entlang einer Längserstreckungsrichtung L gemessene Längserstreckung I aufweist, die größer ist als eine orthogonal zur Längserstreckungsrichtung L gemessene Quererstreckung q. Im Beispielszenario weisen die Membranen 3 jeweils die Geometrie eines Rechtecks 7, also eines Vierecks 6 mit zwei Breitseiten 8a, 8b und zwei Schmalseiten 9a, 9b auf. Das Verhältnis zwischen einer der Breitseiten 8a bzw. 8b und einer der Schmalseiten 9a, 9b kann wenigstens 2:1, vorzugsweise wenigstens 3:1, höchst vorzugsweise wenigstens 5:1 betragen. Eine Seitenlänge s1 der beiden Breitseiten 8a, 8b kann jeweils zwischen 100 mm und 300 mm betragen. Eine Seitenlänge s2 der beiden Schmalseiten 9a, 9b kann jeweils zwischen 20 mm und 150 mm betragen.
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Wie 2 außerdem veranschaulicht, sind die erste Luftpfadrichtung R1 und die Längserstreckungsrichtung L unter einem spitzen Winkel α zueinander angeordnet. Im Beispiel beträgt dieser Winkel 45°, es sind aber auch andere Winkel-Werte denkbar. Als vorteilhaft erweisen sich für den spitzen Winkel α Werte zwischen 20° und 60°, vorzugsweise zwischen 30° und 45°.
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Mittels voranstehend erläuterter Geometrie wird die erfindungsbegründende Grundidee realisiert, wie anhand der 3 im Folgenden nochmals kurz verdeutlicht werden soll.
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Die 3 illustriert in analoger Weise zur 2 einen Querschnitt durch eine herkömmliche Membran 3' mit im Querschnitt quadratischer Geometrie. In der 3 sind auch die beiden Luftpfadrichtungen R1, R2 eingezeichnet. Außerdem ist in 3 auch die oben erwähnte Primärzone 15' der quadratischen Membran 3' eingezeichnet, in welcher die Übertragung von Wasser durch die Membran 3' hindurch zum großen Teil stattfindet. Der zur Primärzone 15' komplementäre Bereich, also die Sekundärzone der Membran 3' ist in 3 mit dem Bezugszeichen 16' bezeichnet. Wie bereits erläutert, wird durch die Sekundärzone 16', die einen größeren Flächenanteil der quadratischen Membran 3' ausmacht als die Primärzone 15', eine deutlich geringer Menge an Wasser übertragen als durch die Primärzone 15' hindurch.
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Daher ist die Geometrie der Membranen 3 beim erfindungsgemäßen Befeuchter 1 wie in 2 dargestellt so gewählt, dass hauptsächlich die Primärzone 16' gemäß 3 abgedeckt wird. Im Bereich der Sekundärzone 16' ist hingegen auf die Bereitstellung der Membran 3 verzichtet.
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Im Folgenden wird wieder auf den erfindungsgemäßen Befeuchter 1 gemäß den 1 und 2 Bezug genommen. Der Befeuchter 1 kann gemäß 2 einen ersten Lufteinlass 10a zum Einleiten von erster Luft L1 in den Befeuchter 1 und einen ersten Luftauslass 11a zum Ausleiten der ersten Luft L1 aus dem Befeuchter 1 aufweisen. Der erste Lufteinlass 10a und der erste Luftauslass 11a liegen einander in der ersten Luftpfadrichtung R1 gegenüber. Der Membranstapel 2 ist zwischen dem ersten Lufteinlass 10a und dem ersten Luftauslass 10b angeordnet. Ferner umfasst Befeuchter 1 einen zweiten Lufteinlass 10b zum Einleiten von zweiter Luft L2 in den Befeuchter 1 und einen zweiten Luftauslass 11b zum Ausleiten der zweiten Luft L2 aus dem Befeuchter. Der zweite Lufteinlass 10b und der zweite Luftauslass 11b liegen einander in der zweiten Luftpfadrichtung R2 gegenüber. Der Membranstapel 3 ist zwischen dem zweiten Lufteinlass 10b und dem zweiten Luftauslass 11 b angeordnet.
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Der Befeuchter 1 kann auch ein Gehäuse 12 umfassen, welches einen Gehäuseinnenraum 13 umgibt, in welchem der Membranstapel 2 angeordnet ist. Zweckmäßig kann das Gehäuse 12 dabei die geometrische Formgebung eines Quaders aufweisen. Im Gehäuse 12 können vier Gehäuseöffnungen 14a-14d vorgesehen sein, die den ersten und zweiten Lufteinlass 10a, 10b sowie den ersten und zweiten Luftauslass 11 a, 11b ausbilden. Der erste Lufteinlass 10a und der erste Luftauslass 11a können an zwei einander in der ersten Luftpfadrichtung R1 gegenüberliegenden Gehäusewandungen 12a, 12b des Gehäuses 12 angeordnet sein. Der zweite Lufteinlass 10b und der zweite Luftauslass 11b können an zwei einander in der zweiten Luftpfadrichtung R2 gegenüberliegenden Gehäusewandungen 12c, 12d des Gehäuses 12 angeordnet sein. Auch der Membranstapel 2 kann die geometrische Formgebung eines Quaders aufweisen.
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In dem in 2 gezeigten Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S ist der Membranstapel 2 unter dem vorangehend erläuterten spitzen Winkel α zur Gehäusewandung 12a des Gehäuses 12, im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet, in welcher die Gehäuseöffnung 14b angeordnet.