DE202011109654U1

DE202011109654U1 - Strömungsplattenverbund für Membranstapel

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Publication number: DE202011109654U1
Application number: DE202011109654U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2021-12-24
Also published as: WO2013092630A1

Abstract

Befeuchter (1), vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: • einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases sowie • einen zweiten Eingang zum zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases, • mindestens eine erste sowie eine zweite Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium (6), wobei • die erste (2.1) sowie die zweite (2.2) Strömungsplatte jeweils Kanäle (3) zur Gasführung aufweisen und bei mindestens einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise in der Planflächenebene der Strömungsplatte sich die Kanäle derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinandergreifen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, sowie ein Brennstoffzellensystem, das einen solchen Befeuchter enthält.
Brennstoffzellen verwenden unter anderem gasförmige Prozessgase, beispielsweise molekularen Wasserstoff und/oder Sauerstoff zur Stromerzeugung.
Solche Brennstoffzellen verwenden üblicherweise Protonenaustauschmembranen (PEM). Im Betrieb erhitzt sich eine solche PEM auf etwa 80 bis 90°C. Es ist für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie für die Haltbarkeit der PEM wichtig, dass bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit im Bereich der PEM relativ stationäre Verhältnisse herrschen. Insbesondere ein Austrocknen der PEM kann sich nachteilig auf die Haltbarkeit und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auswirken.
Zur gezielten Einstellung des Feuchtegrades der der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgase ist es daher üblich, bestimmte Prozessgase zu befeuchten, bevor diese einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Es sind hierzu Befeuchter bekannt, bei denen zwischen zwei mit Kanalstrukturen versehenen Strömungsplatten eine Wasser-permeable Membran angebracht ist. Diese Wasser-permeable Membran trennt einerseits einen zu befeuchtenden, trockenen Gasstrom sowie andererseits einen Gasstrom, der entfeuchtet werden soll.
Dadurch, dass die wasserdurchlässige Membran (zumindest bei einer Mindestbefeuchtung) im Wesentlichen gasdicht ist, kommt es in dem Befeuchter zu einer Annäherung des Wassergehaltes der beiden Gase, ohne dass es zu einer Vermischung der Gase selbst kommt.
Problematisch ist allerdings, dass bekannte Befeuchter sehr teuer in der Herstellung sind und dass Herstell- und Montagetoleranzen sehr genau eingehalten werden müssen, um den gewünschten Feuchtigkeitsaustausch zu gewährleisten.
Es besteht daher die Aufgabe der folgenden Erfindung, einen Befeuchter bzw. ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem der Befeuchter effizient großindustriell herstellbar ist und bereits aufgrund einer intelligenten Konstruktionsweise der Befeuchter kostengünstig herstellbar und fehlerfrei betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Befeuchter nach Schutzanspruch 1 gelöst. Es handelt es sich hier um einen Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend:

• einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases sowie
• einen zweiten Eingang zum zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases,
• mindestens eine erste sowie eine zweite Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium, wobei
• die erste sowie die zweite Strömungsplatte jeweils Kanäle zur Gasführung aufweisen und bei mindestens einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise in der Planflächenebene der Strömungsplatte sich die Kanäle derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinander greifen können.

Dadurch, dass sich die Kanäle bei einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinander greifen, ist stets gewährleistet, dass die Stege zwischen den Kanälen sich mit einer ausreichenden Flächen überlappen und eine zwischen den Stegflächen der beiden gegenüberliegenden Strömungsplatten liegende Membran nicht unnötig geschert bzw. gedehnt wird. Eine solche Scherung bzw. Dehnung hätte nicht nur eine mögliche Beschädigung der Membran (des Wassertransfermediums) zur Folge, sondern auch eine Beeinträchtigung des Wirkungsgrades des Befeuchters. Diese Beeinträchtigung könnte zum Beispiel dadurch begründet sein, dass der effektiv nutzbare Kanalquerschnitt durch ein formschlüssiges Eingreifen der Kanalstrukturen der sich gegenüberliegenden Strömungsplatten stellenweise minimiert wäre und es von daher zu einem Verstopfen bzw. zumindest zu einem unerwünschten Erhöhen des Strömungswiderstandes kommen könnte. Solche negativen Effekte werden durch die Erfindung minimiert bzw. verhindert, da die Wellenform selbst bei nur mäßig genauer Ausrichtung der Strömungsplatten zueinander immer gewährleistet, dass die Überdeckung der Stegflächen ausreicht, um das Wassertransfermedium (die Membran) einerseits sicher zu fixieren und andererseits jegliche Scherung etc. verhindert werden kann.
Dies wird, ergänzend zu der schriftlichen Beschreibung, durch die 4a und 4b nochmals verdeutlicht. Zum besseren Verständnis sind die beiden Strömungsplatten in den Drauf- bzw. Durchsichten der 4 seitlich, d. h. parallel zur Strömungsrichtung, gegeneinander verschoben, so dass die obere Platte links über den Rand der unteren Platte übersteht und die untere Platte rechts über den Rand der oberen Platte herausragt. Dies dient nur der Erläuterung, da sonst die Strukturen der einzelnen Strömungsplatten nicht erkennbar wären. Zur Verbesserung der Klarheit verzichtet 4 auch auf die Darstellung der Membran. Die Schnittdarstellungen sind insofern schematisch, als dass die Rückseiten der Strömungsplatten ohne Struktur dargestellt sind.
In 4a, linke Seite, ist ein Ausschnitt aus einer Drauf-/Durchsicht zweier übereinander liegender Strömungsplatten gezeigt. Hierbei sind die Stegflächen der ersten Strömungsplatte mit nach rechts abfallender, durchgehender Schraffur dargestellt, die Stegflächen der gegenüberliegenden zweiten Strömungsplatte durch nach rechts ansteigende, gestrichelte Schraffur angedeutet. Bei einem mit sehr engen Herstelltoleranzen (und damit sehr kostenträchtig) hergestellten Befeuchter, wie hier in 4a, linker Bildteil dargestellt, ist eine fast volle Überdeckung der Stegflächen gegeben.
Dasselbe ist in 4a, rechter Bildteil, zu sehen, allerdings handelt es sich dort um wellenförmige und nicht um gerade Verläufe der Kanalstrukturen. Die Überlappung der Kanäle im linken und rechten Bildteil wird durch die Schnittdarstellung unterstrichen.
Insbesondere für die großindustrielle Produktion ist es jedoch wichtig, dass auch für den Fall, dass die erreichten oder erreichbaren Toleranzen weniger eng sind, noch ein funktionsfähiger Befeuchter bereitgestellt wird. Dies ist bei herkömmlichen Systemen allerdings nicht möglich, wie 4b, linker Bildteil zeigt. Hier ist klar zu erkennen, wie die Stegflächen der einen Strömungsplatte (durch durchgehende, nach rechts abfallende Schraffur dargestellt) und die Stegflächen der gegenüberliegenden Strömungsplatte (durch gestrichelte, nach rechts ansteigende Schraffur dargestellt) infolge der großzügigen Toleranzen gegeneinander versetzt sind und dadurch geradezu formschlüssig ineinander greifen und eine – hier nicht dargestellte – dazwischen liegende Membran unerwünscht geschert bzw. sogar zerstört wird, wie aus Schnitt C-C deutlich wird. Insbesondere bei Erhöhung der Pressung kann es sogar soweit kommen, dass die Kanalquerschnitte zum Leiten des Prozessgases verschlossen werden und somit der Befeuchter nur ungenügend funktioniert.
Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Konzept nach 4b, rechter Bildteil, ausgeschlossen. Selbst bei einer Verdrehung in der Planflächenebene bzw. Verschiebung der ersten und der zweiten Platte zueinander wird es durch die erfindungsgemäße Wellenform in den Kanalstrukturen zu einer ausreichenden Überdeckung der Stegflächen kommen, so dass eine Beschädigung der Membran (des Wassertransfermediums) minimiert bzw. verhindert werden kann.
Die Schnitte D-D und E-E zeigen zwar deutlich, dass die Kanalstrukturen nur unvollständig miteinander überlappen, es bleibt jedoch ein für den Wassertransfer durch die nicht dargestellte Membran ausreichend großer Überlapp zwischen den Kanalstrukturen.
Zur funktionssicheren Stützung des Wassertransfermediums (zum Beispiel einer Befeuchtermembran) sollte trotz möglicher Lager- und Fertigungstoleranzen gewährleistet sein, dass die Überlappung der sich gegenüberliegenden Stegflächen beider Strömungsplatten (also die Stegflächen, die auch die Befeuchtermembran bereichsweise berühren) in allen Einbausituationen mindestens 10% der gesamten Aktivfläche beträgt. Die Aktivfläche wird von dem Bereich der Strömungsplatte gebildet, in dem sich die Kanäle erstrecken sowie dem zwischen den Kanälen liegenden Bereich, sie stellt somit die gesamte potentiell flüssigkeitsleitende Fläche des Wassertransfermediums (zum Beispiel der Membran) dar. Insbesondere muss sichergestellt sein, dass eine Scherung des Wassertransfermediums (der Membran) bzw. weiterer dazwischen liegender Schichten durch die Kanäle vermieden wird. Bei einer parallelen Gasführung auf beiden Seiten des Wassertransfermediums ist insbesondere bei geraden Kanalverläufen in beiden zusammenwirkenden Strömungsplatten (siehe 4b!) die Gefahr der versetzten Verpressung sehr wahrscheinlich. Dadurch weicht die Hauptkraftrichtung der lokalen Verpressung des Wassertransfermediums aus der Senkrechten (bezüglich des Wassertransfermediums) ab und führt somit zu einer Scherwirkung auf das Wassertransfermedium. Aufgrund dessen werden die Kanäle in mindestens einer Strömungsplatte erfindungsgemäß wellenförmig ausgeführt, um solche negativen Auswirkungen zu verhindern. Die Amplitude der Wellenstruktur sollte hierbei mindestens der Kanalbreite der gegenüberliegenden Strömungsplatte entsprechen. Andererseits sollte die Amplitude auch nicht zu groß sein. Bevorzugt beträgt die Amplitude maximal den dreifachen Wert der Kanalbreite der gegenüberliegenden Strömungsplatte. Dies rührt einerseits von einer möglichst optimalen Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes und andererseits von einer Begrenzung des Druckabfalls über die Strömungskanäle. Wenn beide Strömungsplatten wellenförmige Kanäle besitzen, sollten die Strukturen entweder unterschiedliche Wellenlänge aufweisen oder in Kanalverlaufsrichtung um etwa eine halbe Wellenlänge zueinander versetzt sein. Dadurch ist gewährleistet, dass unabhängig vom Versatz der beiden Strömungsplatten die lokale Verpressung des Wassertransfermediums durch die Strömungsplatten stets mit einer senkrecht zum Wassertransfermedium ausgerichteten Hauptkraftrichtung erfolgt und eine Scherung wirksam vermieden wird. Dadurch wird regelmäßig erreicht, dass die Überlappung der sich gegenüberliegenden Stegflächen der Strömungsplatten in allen Einbausituationen ausreichend hoch ist.
Es sei angemerkt, dass mit in „wellenförmig erstrecken” gemeint ist, dass vorzugweise mindestens zwei nebeneinanderliegende Kanäle/Stege in Draufsicht auf die Ebene der Platten Wellenform aufweisen, das heißt aufeinanderfolgend mindestens ein Wellental und einen Wellenberg durchlaufen. Dies ist ein Unterschied zu „zufälligen” Wellenverläufen, welche eventuell bei bekannten Strömungsplatten, insbesondere im Randbereich, vorkommen könnten, welche beispielsweise der Abdichtung/Verpressung etc. dienen sollen. Besonders bevorzugt sind mehr als zwei nebeneinanderliegende wellenförmige Kanäle vorgesehen, vorzugsweise fünf, besonders bevorzugt mehr als zehn, wobei auch hier jeweils vorzugsweise mindestens ein Wellenberg und ein Wellental bei allen nebeneinanderliegenden Kanälen durchlaufen werden. Besonders bevorzugt besteht die gesamte Kanalstruktur mindestens einer Strömungsplatte aus Kanälen mit einem solchen wellenförmigen Aufbau; es sei allerdings bemerkt, dass auch bereits ein bereichsweises Vorsehen der wellenförmigen Verläufe zur Erzielung des erfindungsgemäßen Gedankens hinreichend sein kann.
Eine Vektorzerlegung der Strömung in einem Kanal in der Plattenebene ergibt dabei ein stetiges Fortschreiten in einer Hauptströmungsrichtung, dem eine Strömung senkrecht zu dieser Hauptströmungsrichtung überlagert ist, die im wesentlichen periodisch alternierend in beide Richtungen weist. Diese alternierende Bewegung muss sich nicht über die gesamte Länge des Kanals erstrecken.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und/oder zweite Strömungsplatte Durchbrüche zur Medienführung in Stapelrichtung aufweist. Hierdurch wird es möglich, Paarungen von Strömungsplatten beliebig zu schichten, um eine ausreichende Befeuchtung bereitzustellen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und/oder zweite Strömungsplatte Dichtungsstrukturen oder Dichtungsbeschichtungen aufweist. So ist es beispielsweise möglich, dass zur Abdichtung Elastomerschichten bzw. Elastomerlinien aufgespritzt, aufgedruckt und/oder aufgelegt werden. Es ist auch möglich, in einer Strömungsplatte integral eine einzelne Sicke (als Halbsicke oder Vollsicke) auszuformen. Dies ist insbesondere für den großindustriellen Einsatz praktisch, da eine Strömungsplatte, welche aus Metall hergestellt ist, bereits bei der Prägung der Kanalstrukturen auch gleich eine entsprechende Dichtungsstruktur in Form einer Sicke eingeprägt bekommen kann. Es ist auch möglich, diese integralen Sicken zusätzlich mit elastomeren Dichtungsstrukturen zu kombinieren.
Möglich ist es auch, dass die erste und/oder zweite Strömungsplatte Verbindungsstrukturen enthalten, welche als Haken, Zip-Locks oder Clips ausgeführt sind. Hier kann, beispielsweise durch Aussparungen im Material selbst bzw. durch ein Hochbiegen bestimmter Abschnitte, ein Formschluss von Strömungsplatten untereinander hergestellt werden. Außerdem sind zusätzlich und/oder alternativ Verbindungsbeschichtungen möglich, das heißt beispielsweise Klebstoffe zwischen den Strömungsplatten oder auch Lötverbindungen etc. zwischen den Platten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kanäle der Strömungsplatte integral mit dem umgebenden Randabschnitt der Strömungsplatte hergestellt sind. Hier kann, wie bereits oben angedeutet, aus einer flachen Metallplatte durch Prägen eine Strömungsplatte großindustriell hergestellt werden.
Es ist allerdings auch möglich, dass die Strömungsplatte eine rahmenförmige Grundplatte aufweist, in welche die Kanalstrukturen dann als Einleger eingelegt sind. Hierbei können die eingelegte Kanalstruktur und der umgebende Rahmen aus demselben Material bestehen oder auch aus unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise ist es möglich, den Rahmen aus einem Kunststoffmaterial herzustellen und die eingelegten Kanalstrukturen aus einem metallischen Material. Bei den eingelegten Kanalstrukturen sind vielfältige Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können diese Kanalstrukturen als Gewebe, als Gestrick, als Streckgerüste, als Lamellen, als Noppenfolien, als Wellenstrukturen oder als Einprägungen in plastisch verformbaren Materialien (zum Beispiel Metallplatten, Kunststoff- oder Metallschäume) ausgeführt sein. Hierbei können die Kanalstrukturen zusätzlich Verwirbelungsstrukturen aufweisen, um Feuchtigkeitskonzentrationen zu vergleichmäßigen und/oder den Fluss des Prozessgases zu vergleichmäßigen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Strömungsplatten zumindest bereichsweise aus thermoplastischen, elastomeren oder duroplastischen Kunststoffen hergestellt sind und/oder zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Edelstahl, bestehen. Unter den Elastomeren sind vielfältige Materialien denkbar, sowohl spritzgusstechnisch verarbeitbare Elastomere als auch thermoplastische Elastomere können zur Anwendung kommen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Benetzungseigenschaften der Strömungsplatten durch Plasma- bzw. durch Reaktivplasmabehandlung modifiziert sind und/oder dass die Strömungsplatten hydrophile oder hydrophobe Beschichtungen oder Mikrostrukturierungen aufweisen. Durch die gezielte Einstellung der entsprechenden Eigenschaften können Feuchtigkeitsansammlungen vermieden werden bzw. eine gleichmäßigere Verteilung der Feuchte auf das zu befeuchtende Gas erreicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Hauptströmungsrichtung der Kanalstruktur der ersten Strömungsplatte zu der Hauptströmungsrichtung der Kanalstruktur der zweiten Strömungsplatte im Wesentlichen parallel angeordnet ist. Das heißt, dass die resultierende Hauptrichtung eines zu entfeuchtenden Gases auf der einen Seite des Wassertransfermediums beispielsweise parallel und gleichgerichtet zu dem entsprechenden Gas auf der anderen Seite des Wassertransfermediums ist. Es ist aber auch möglich, dass dies parallel und entgegengerichtet (Gegenstrom) ist. Weiterhin ist es auch möglich, dass diese Strömungsrichtungen im Wesentlichen senkrecht zueinander (Kreuzstromprinzip) angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass die in diesem Absatz angegebenen Richtungen (parallel bzw. senkrecht) nicht mathematisch exakt verstanden sein müssen, sondern dass hierunter auch Abweichungen bis 2°, vorzugsweise bis 0.5° von den Idealwinkeln (0°/180° bzw. 90°/270°) sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und die zweite Strömungsplatte sich voneinander unterscheiden in Materialwahl, Kanalform oder Kanalrichtung oder das die erste und die zweite Strömungsplatte bautechnisch zueinander identisch ausgebildet sind. Bezüglich der Definition dieser Begriffe, insbesondere auch zur Definition der entsprechenden Wellenparameter, wird insbesondere auf die 3d und 3e verwiesen. Es sei betont, dass diese Figuren nicht nur beispielhaft im speziellen Beschreibungsteil verstanden werden sollen, sondern dass es sich hierbei um eine Definition für die Gesamterfindung handelt.
Das Wassertransfermedium kann auf unterschiedliche Weisen ausgeführt sein. Eine erste Ausführungsform sieht vor, dass das Wassertransfermedium als unverstärkte Membran ausgeführt ist. Dies ist erfindungsgemäß möglich, da eine Quetschung/Scherung einzelner Abschnitte der Membran durch die erfindungsgemäße Wellenform von vornherein vermieden werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die unverstärkte Membran aufgelegt ist auf ein Stützmedium in Form von beispielsweise (Graphit-)Faserpapier (Graphit-)Fasergelege oder ein Vlies. Es sind auch Fasergewebe aus Natur- und/oder Kunstfasern möglich, die lose oder zur Erhöhung der Stützwirkung mit der Strömungsplatte verbunden sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Wassertransfermedium als verstärkte Membran ausgeführt ist und/oder, dass diese Membran bereichsweise mit der ersten und/oder zweiten Strömungsplatte verbunden ist, um eine ausreichende Stützwirkung zum Überspannen der Kanäle bereitzustellen. Diese kann durch Kraftschluss- und/oder Stoffschluss erreicht werden. Es ist zu bemerken, dass das Überspannen allein hier die Stützwirkung ergibt, es ist kein zusätzliches Stützmedium erforderlich – die Membran ist allerdings verstärkt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Wassertransfermedium als poröses Medium, als beschichtetes und/oder imprägniertes Gewebe (Texapore^®, Venturi^®), als Membranlaminat(Goretex^®), ionengetränkte Membran, Ionomermembran (Nafion^®) oder Diaphragma ausgeführt ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Brennstoffzellensystem, das mindestens einen erfindungsgemäßen Befeuchter enthält sowie mindestens eine damit in Verbindung stehende Brennstoffzelle. Vorteilhafterweise ist eine Kathodenabgasleitung der Brennstoffzelle mit dem zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases des Befeuchters verbunden. Hiermit wird ausgenutzt, dass aus dem relativ feuchten Kathodenabgas (beispielsweise wenn aus einer Reaktion von molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff Wasser als Endprodukt entsteht) die enthaltene Feuchte wiederverwendet und zur Befeuchtung des der Brennstoffzelle zugeleiteten bzw. zuzuleitenden Prozessgases genutzt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der erste Eingang zum Zuführen trockenen Gases zu dem Befeuchter mit einer Kathoden-Luftversorgungseinheit, wie zum Beispiel einem Kompressor, ausgestattet ist. Dies bietet sich insbesondere deshalb an, weil die relativ heiße und trockene Luft, die aus einem solchen Kompressor kommt, befeuchtet werden sollte, bevor diese der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden in den übrigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Befeuchter,
2a und 2b Details eines Befeuchtermoduls bestehendend aus zwei Strömungsplatten und einem dazwischenliegenden Wassertransfermedium
3a bis 3e Details zu Kanalstrukturen auf Strömungsplatten und
4a und 4b beispielhafte Anordnungen von Überlappungen verschiedener Strömungskanalstrukturen.
1 zeigt einen Befeuchter 1, der eine Mehrzahl von geschichteten Befeuchtermodulen 8 aufweist, welche zwischen zwei Endplatten 9 geschichtet und verspannt sind. Über die Endplatten werden Gase zu- und abgeführt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die Darstellung eines angeschlossenen Kompressors zur Zuführung von trockenem Prozessgas sowie einer Brennstoffzelleneinheit, für die befeuchtetes Prozessgas zur Verfügung gestellt werden soll, verzichtet. Bei dem Befeuchter 1 handelt es sich also um einen Befeuchter für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases (Pfeil B) sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases (Pfeil C) sowie einen zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases (Pfeil A) sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases (Pfeil D), mindestens eine erste sowie eine zweite Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium, wobei die erste sowie die zweite Strömungsplatte jeweils Kanäle zur Gasführung aufweisen und bei mindestens einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise in der Planflächenebene der Strömungsplatte sich die Kanäle derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinander greifen.
Im Folgenden wird anhand der 2a bis 4b auf Spezifika der Strömungsplatten, insbesondere auf die wellenförmigen Verläufe der prozessgasführenden Kanäle in den Strömungsplatten, eingegangen.
Das in 2a gezeigte Befeuchtermodul 8 ist in 2b in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Hierbei ist eine erste Strömungsplatte 2.1 gezeigt, die eine Kanalstruktur 3 aufweist. Zu Details der Kanalverläufe wird auf 3a bis 3e Bezug genommen. Das Modul enthält außerdem eine zweite Strömungsplatte 2.2. Zwischen der ersten Strömungsplatte 2.1 und der zweiten Strömungsplatte 2.2 ist ein Wassertransfermedium 6 in Form einer Membran angeordnet. Auf diese Membran sind Stützmedien in Form von Graphitfaserpapier 10 aufgelegt. Das Modul wird so verpresst und/oder verklebt, dass durch die Kanäle 3 geführtes Gas nicht aus der Aktivfläche, die beispielsweise in 2b auf der ersten Strömungsplatte 2.1 mit ”3” bezeichnet ist, heraustreten kann. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Aktivfläche 3, also der von den Kanälen und dem Bereich zwischen den Kanälen eingenommenen Fläche, um einen im Wesentlichen rechteckigen Bereich, dessen Rand hier mit einer gestrichelten Linie 3a markiert ist. Nicht dargestellt sind den Bereich der Kanalstrukturen umgebende Sicken und/oder Elastomerdichtungen, die für eine Gasdichtigkeit sorgen.
Zur zusätzlichen Abdichtung kann das Befeuchtermodul 8 randseitig verklebt sein. Derart vormontierte Befeuchtermodule 8 können dann zu beliebig dicken Stacks geschichtet werden, die ggf. zusätzlich im Randbereich mit Harz vergossen werden. Die Durchführung von Gasen in der Stapelrichtung erfolgt durch Durchbrüche 7. Die einzelnen Strömungsplatten bzw. auch die Befeuchtermodule können miteinander verklebt oder vergossen werden und/oder durch mechanische Verbindungsstrukturen wie Haken oder Clips, welche zeichnerisch nicht dargestellt sind, verbunden werden. Bei den vorliegenden Strömungsplatten handelt es sich im Wesentlichen um einteilige Strömungsplatten, bei denen die Kanalstruktur eingeprägt ist (die Strömungsplatten sind aus einem korrosionsfreien metallischen Material). Alternativ sind auch rahmenförmige Platten möglich, die in die Kanalstrukturen eingelegt werden. Die Plattenoberfläche ist im Bereich der Kanalstrukturen ggf. hydrophil oder hydrophob beschichtet und kann Mikrostrukturierungen aufweisen.
Die Rückseite der zweiten Strömungsplatte 2.2 in 2b ist ebenfalls mit Kanalstrukturen, die hier allerdings nicht sichtbar sind, versehen. Bei geprägten Platten wird die Struktur bevorzugt durchgeprägt, so dass einer Erhebung (einer Vertiefung) auf der Vorderseite eine Vertiefung (eine Erhebung) auf der Rückseite gegenüberliegt. Werden die Strömungsplatten mit Kanalstrukturen auf beiden Oberflächen ausgebildet, so begrenzt die zweite Strömungsplatte 2.2 zwar das Modul, stellt aber gleichzeitig die Begrenzung des hier nicht gezeigten benachbarten Moduls dar. Somit enthält in diesem Fall ein Modul nur eine Strömungsplatte bzw. teilen sich aneinander angrenzende Module jeweils eine Strömungsplatte an ihrer Grenzfläche.
Die Hauptströmungsrichtung der Kanäle ist parallel zur Hauptströmungsrichtung auf der sichtbaren Seite der Strömungsplatte 2.1, so dass es sich hierbei um einen Gegenstrombefeuchter handelt. Der vorliegende Aufbau ist großindustriell besonders einfach herstellbar, da die einzelnen Strömungsplatten im Wesentlichen baugleich sind, dies kann jedoch auch anders ausgeführt sein. Dasselbe gilt sinngemäß für das Wassertransfermedium, das auf viele Weisen, siehe Beschreibungseinleitung, ausgeführt sein kann.
Aus 2a und 2b noch nicht voll ersichtlich ist die erfindungsgemäße Kanalstruktur, die anhand der Details aus 3a ff. noch besser sichtbar wird. 3a zeigt hierbei einen Teilschnitt von Bereichen der Strömungsplatten 2.1 und 2.2 sowie einer dazwischenliegenden Membran 6 (Wassertransfermedium). Die Rückseite der Strömungsplatten ist unstrukturiert dargestellt, sie kann aber sowohl strukturiert als auch unstrukturiert sein. In den Kanälen der Strömungsplatte 2.1 (das heißt in den unschraffierten Hohlräumen zwischen der Strömungsplatte 2.1 sowie dem Wassertransfermedium 6) strömt ein erstes Prozessgas, ein davon unterschiedliches zweites Prozessgas strömt durch die entsprechenden Hohlräume zwischen dem Wassertransfermedium 6 und der Strömungsplatte 2.2. Das Wassertransfermedium 6 ist im Wesentlichen gasundurchlässig, allerdings flüssigkeitsdurchlässig. Auf diese Weise wird ein Wasser-Konzentrationsgefälle der jeweils jenseits des Wassertransfermediums 6 befindlichen Gase ausgeglichen und so eine Befeuchtung des trockeneren Gases erreicht. Es ist gut zu sehen, dass die Stegflächen sich im Wesentlichen aufeinander abstützen (es ist nur das Wassertransfermedium 6 dazwischen). Dadurch, dass, wie in 3a zu sehen, eine starke Überlappung der Stegflächen gegeben ist, wird das Wassertransfermedium 6 nicht geschert bzw. in einen Kanal „gepresst”.
3b zeigt einen Schnitt B-B, bei dem die Überlappung der Stegflächen im Berührbereich 4 noch stärker ist.
Schließlich ist aus 3c zu sehen, dass sowohl die Kanäle der ersten Strömungsplatte 2.1 als auch der zweiten Strömungsplatte 2.2 einen in ihrer Planflächenebene wellenförmigen Verlauf haben. Hierdurch werden die Stegflächen 5 nicht in Kanäle 3 der jeweils gegenüberliegenden Strömungsplatte gepresst, so dass hier immer eine ausreichende Überdeckung (mehr als 10% der Gesamtfläche des Wassertransfermediums im befeuchteten Bereich) gegeben ist.
In 3d ist eine volle Welle der Strömungsplatte 2.1 zu sehen. Die Wellenlänge wird hierbei mit „λ” bezeichnet, die Amplitude A wird von der Mittellinie der Welle bis zum obersten Rand des Steges gemessen gemäß 3d.
Weitere Größen im Zusammenhang mit dem Kanal/dem Steg sind aus 3e zu sehen. Hierbei wird die Neigung der Kanalwand mit α bezeichnet, wobei α gemittelt im Wesentlichen 70 bis 90° vorzugsweise beträgt. Die Kanaltiefe t wird gemessen von dem obersten Punkt des Steges bis zum untersten Punkt des Kanals 3. Die Kanaltiefe t beträgt vorteilhafterweise 0,2 bis 2 mm, bevorzugt 0,4 bis 1,1 mm. Die Breite des Steges b wird gemessen als Abstand der Kanalwände auf der Höhe t durch 2. Die Stegbreite b beträgt vorteilhafterweise 0,3 bis 2,5 mm, bevorzugt 0,7 bis 1,5 mm. Da es sich vorliegend vorzugsweise um metallisch geprägte Kanalstrukturen handeln kann, gibt es außerdem Radien (r = Radiusübergang Kanalgrund zu Steg und R = Radiusübergang Stegoberseite zur Kanalwand). Beide Radien r und R liegen vorteilhafterweise zwischen 0,05 und 0,25 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,15 mm. Die eigentliche Kanalbreite b' beträgt vorteilhafterweise 0,5 bis 3 mm, bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm.
Es ist den 3a bis 3e zu entnehmen, dass im Berührbereich von erster und zweiter Strömungsplatte die Amplitude A der Wellenform der Kanäle der ersten Strömungsplatte mindestens der Kanalbreite der zweiten Strömungsplatte entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die erste als auch die zweite Strömungsplatte zumindest bereichsweise mit wellenförmigen Kanälen versehen, siehe 3c. Hierbei sind vorzugsweise die Kanäle gegenüberliegender Strömungsplatten in Kanalverlaufsrichtung 11 um λ/4 bis ¾ λ, bevorzugt um im Wesentlichen λ/2 zueinander versetzt.
Bezugszeichenliste

1: Befeuchter
2.1: Erste Strömungsplatte
2.2: zweite Strömungsplatte
3: Kanäle
4: Berührbereich
5: Stegfläche
6: Wassertransfermedium
7: Durchbruch
8: Befeuchtermodul
9: Endplatte
10: Graphitfaserpapier
11: Kanalverlaufsrichtung
λ: Wellenlänge
t: Kanaltiefe
b: Stegbreite
α: Kanalwandneigung
r: Radius Übergang Kanalgrund zu Steg
R: Radius Übergang Stegoberseite zu Kanalwand

Claims

Befeuchter (1), vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: • einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases sowie • einen zweiten Eingang zum zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases, • mindestens eine erste sowie eine zweite Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium (6), wobei • die erste (2.1) sowie die zweite (2.2) Strömungsplatte jeweils Kanäle (3) zur Gasführung aufweisen und bei mindestens einer Strömungsplatte zumindest bereichsweise in der Planflächenebene der Strömungsplatte sich die Kanäle derart wellenförmig erstrecken, dass die Kanäle der ersten sowie der zweiten Strömungsplatte zumindest in diesem Bereich nicht formschlüssig ineinandergreifen.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Berührbereich (4) von erster und zweiter Strömungsplatte die Amplitude der Wellenform der Kanäle der ersten Strömungsplatte (2.1) mindestens der Kanalbreite der zweiten Strömungsplatte (2.2) entspricht.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste (2.1) als auch die zweite (2.2) Strömungsplatte zumindest bereichsweise wellenförmige Kanäle (3) aufweisen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3) gegenüberliegender Strömungsplatten im Wesentlichen dieselbe Wellenlänge (λ) aufweisen und in Kanalverlaufsrichtung (11) um mindestens eine viertel Wellenlänge (λ) und maximal um dreiviertel einer Wellenlänge (λ) zueinander versetzt sind.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtüberlappung der sich gegenüberliegenden Stegflächen (5) von erster (2.1) und zweiter (2.2) Strömungsplatte mindestens 10% der flüssigkeitsleitenden Fläche des Wassertransfermediums (6) beträgt.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2.1) und/oder zweite (2.2) Strömungsplatte Durchbrüche (7) zur Medienführung in Stapelrichtung aufweist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2.1) und/oder zweite (2.2) Strömungsplatte Dichtungsstrukturen oder Dichtungsbeschichtungen oder Verbindungsstrukturen, wobei die Verbindungsstrukturen vorzugsweise als Haken, Zip-Locks oder Clips ausgeführt sind und/oder Verbindungsbeschichtungen, welche vorzugsweise als Klebstoffe ausgeführt sind, aufweist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3) der Strömungsplatten (2.1; 2.2) integral gefertigt sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen als Einleger in eine rahmenförmige Grundplatte eingelegt sind, wobei Grundplatte und eingelegte Kanalstruktur zusammen die Strömungsplatte bilden, wobei Einleger und rahmenförmige Grundplatte aus demselben oder unterschiedlichem Material bestehen.
Befeuchter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelegten Kanalstrukturen als Gewebe, Gestricke, Streckgerüste, Lamellen, Noppenfolien, Wellenstrukturen oder Einprägungen in plastisch verformbaren Materialien ausgeführt sind.
Befeuchter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstrukturen zusätzlich Verwirbelungsstrukturen aufweisen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatten (2.1; 2.2) zumindest bereichsweise aus thermoplastischen, elastomeren oder duroplastischen Kunststoffen hergestellt sind und/oder zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen bestehen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzungseigenschaften der Strömungsplatten (2.1; 2.2) durch Plasma- bzw. Reaktivplasmabehandlung modifiziert sind und/oder dass die Strömungsplatten hydrophile oder hydrophobe Mikrostrukturierungen oder Beschichtungen aufweisen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung der Kanalstruktur der ersten Strömungsplatte zu der Hauptströmungsrichtung der Kanalstruktur der zweiten Strömungsplatte im Wesentlichen parallel (Gleichstrom oder Gegenstrom) oder im Wesentlichen senkrecht (Kreuzstrom) angeordnet ist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2.1) und die zweite (2.2) Strömungsplatte sich in Materialwahl, Kanalform oder Kanalrichtung voneinander unterscheiden oder dass die erste und die zweite Strömungsplatte bautechnisch zueinander identisch ausgebildet sind.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassertransfermedium (6) als unverstärkte Membran ausgeführt ist.
Befeuchter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unverstärkte Membran aufgelegt ist auf ein Stützmedium in Form von (Graphit-)Faserpapier, (Graphit-)Fasergelege oder Vlies oder Fasergewebe (Natur- und/oder Kunstfaser), das lose oder zur Erhöhung der Stützwirkung mit der Strömungsplatte verbunden ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassertransfermedium (6) als verstärkte Membran ausgeführt ist und/oder dass diese Membran bereichsweise mit der ersten und/oder zweiten Strömungsplatte verbunden ist, um eine ausreichende Stützwirkung zum Überspannen der Kanäle bereitzustellen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstransfermedium (6) als poröses Medium, als beschichtetes und/oder imprägniertes Gewebe (Texapore^®, Venturi^®), als Membranlaminat (Goretex^®), ionengetränkte Membran, Ionomermembran (Nafion^®) oder Diaphragma ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem, enthaltend mindestens einen Befeuchter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens eine Brennstoffzelle.
Brennstoffzellensystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathodenabgasableitung der Brennstoffzelle mit dem zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases des Befeuchters (1) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang zum Zuführen trockenen Gases mit einer Kathoden-Luftversorgungseinheit, wie z. B. einem Kompressor, verbunden ist.