DE202012004927U1

DE202012004927U1 - Befeuchter

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Publication number: DE202012004927U1
Application number: DE202012004927U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: DE102013208877A1

Abstract

Befeuchter (100), vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: • einen ersten Eingang (A) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (C) zum Abgeben befeuchteten Gases sowie • einen zweiten Eingang (B) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (D) zum Abgeben entfeuchteten Gases, • mindestens eine erste (2) sowie eine zweite (3) Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium (6), wobei • die Wassertransferrate des Wassertransfermediums (6) mindestens 25000 GPU beträgt, wobei • die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten (2, 3) Gasleitungsstrukturen (4) aufweisen und Portöffnungen (7) sowie von den Portöffnungen (7) abzweigende Medienöffnungen (5) zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen (7) herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen (8) aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke (83) mindestens einer Sickenanordnung (8) mindestens eine Durchführung (9) zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen (7) zu den Gasleitungsstrukturen (4) hin vorgesehen sind.

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 optimale 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.
Zum Betrieb des Befeuchters ist es notwendig, dass die Kompartimente der Gase mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt sicher gegeneinander abgedichtet sind. Problematisch ist in diesem Zusammenhang, 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, wobei zu beachten ist, dass bei einem inneren Betriebsdruck des Befeuchters von bis zu 3 bar eine Dichtlänge von bis zu 300 m abgedichtet werden muss und eine Leckage durch die Dichtungen kleiner als 2 ml/min. sein sollte. Für die Anwendung im Automobil muss zudem eine sichere Abdichtung unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen, wie z. B. im Temperaturbereich von –30 bis +60°C oder unter starken Vibrationen oder Beschleunigungskräften gewährleistet werden. Außerdem ergibt sich bei der Verwendung von gestapelten Membransystemen die Aufgabe, dass gasförmige oder flüssige Medien innerhalb des Stapels unter Beibehalten der Abdichtwirkung zwischen verschiedenen Medienräumen durch die Dichtlinien hindurch geführt werden müssen, um auf der Membranfläche verteilt zu werden.
Diese Aufgabe wird durch Befeuchter nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst, diese sind vorteilhaft für die erfindungsgemäßen Brennstoffzellen einsetzbar.
Ein erfindungsgemäßer Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthält:

• 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 Wassertransferrate des Wassertransfermediums mindestens 25000 GPU (Gas permeation units), bevorzugt mindestens 30000 GPU, besonders bevorzugt 40000 GPU beträgt, wobei
• die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten Gasleitungsstrukturen aufweisen und Portöffnungen sowie von den Portöffnungen abzweigende Medienöffnungen zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke mindestens einer Sickenanordnung mindestens eine Durchführung zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen zu den Gasleitstrukturen hin vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft außerdem einen betriebsbereiten Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, wobei diese die folgenden Merkmale enthält:

• 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
• der Befeuchter betriebsbereit über die ersten und zweiten Ein- und Ausgänge angeschlossen und beidseits des Wassertransfermediums jeweils mit Luft als Gas befüllt ist, wobei
• die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten Gasleitungsstrukturen aufweisen und Portöffnungen sowie von den Portöffnungen abzweigende Medienöffnungen zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke mindestens einer Sickenanordnung mindestens eine Durchführung zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen zu Gasleitungsstrukturen hin vorgesehen sind.

Dadurch, dass die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten Gasleitungsstrukturen aufweisen und Port- und Medienöffnungen zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke mindestens einer Sickenanordnung mindestens eine Durchführung zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen über die Medienöffnungen zu den Gasleitungsstrukturen hin vorgesehen sind, wird eine sehr betriebssichere und außerdem kostengünstig herstellbare Dichtungsstruktur, die auch die Medienleitung in der Ebene verbessert, vorgeschlagen. Insbesondere bietet sich dies für großindustriell herzustellende Befeuchter an, da sowohl die Durchführungen als auch die Sickenanordnungen bzw. die Gasleitungsstrukturen integral z. B. in Blech geprägt werden können und von daher Strömungsplatten mit sehr hohen Toleranzanforderungen in großer Stückzahl kostengünstig herstellbar sind.
Zur Begriffsdefinition in der vorliegenden Anmeldung sei Folgendes ausgeführt:

• Unter einer ”Portöffnungen” wird eine in der Regel senkrecht zu der Ebene der Strömungsplatten verlaufende Öffnung verstanden, durch die Medien geführt werden.
• Der Begriff ”Medienöffnung” betrifft beispielsweise am Rande einer Portöffnung bestehende Bereiche, durch die Medium von den Portöffnungen letztlich hin zu den Kanalstrukturen geführt wird. Diese können verschiedenste Formen haben, beispielsweise eine Öffnung zwischen zwei Blechen darstellen, durch die Medium von der Portöffnung letztlich zu den Kanalstrukturen hin verlaufen kann.
• Unter ”Durchführung” wird ein Gegenstand verstanden, der die Passage durch eine Sickenflanke bzw. die Flanke einer Sickenanordnung ermöglicht. Dies kann die Form einer einfachen Öffnung in der Sickenflanke sein, dies kann allerdings auch einen sich an die Sickenflanke anschließenden Kanal beinhalten, mit dem seitlich auswachsend zur Sicke das Medium in Strömungsplattenrichtung weitergeführt wird.
• Unter ”Durchbruch” wird die eigentliche Öffnung von der Sickenanordnung hin zum z. B. Flowfield (dem Bereich mit den Gasleitungsstrukturen) verstanden. Der Durchbruch ist im Falle einer Sickenanordnung mit daran anschließendem Kanal das Ende des Kanals, falls kein solcher Kanal vorgesehen ist, stellt der Durchbruch einfach die Öffnung in der Flanke der Sicke/der Sickenanordnung dar.
• Die Einheit GPU, „gas permeation unit”, also Gaspermeationseinheit, entspricht 10–6 cm × s–1 × cmHg–1, oder, in SI Einheiten ausgedrückt, 7,5005 × 10–16 m × s–1 × Pa–1.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Befeuchters werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Durchführungen sind vorzugsweise in ihrem Querschnitt kreisförmig, oval oder eckig (allerdings dann mit abgerundeten Ecken) ausgeführt. Solche Durchführungen sind auch in Prägeverfahren einfach herzustellen und außerdem strömungstechnisch günstig.
Wie bereits oben gesagt, ist es möglich, dass eine Durchführung auch einen Kanal bzw. Durchführungskanal umfasst, wobei der Durchführungskanal mit dem Sickeninnenraum verbunden ist und zumindest zur Außenfläche der Sickenflanke geschlossen ist. D. h., dass die als Dichtung fungierende Sickenanordnung bereichsweise unterbrochen ist und sich (vorzugsweise seitlich) ein Kanal hieran anschließt, quasi als ”Untertunnelung”, um Medium von der Sickenanordnung wegzuführen.
Als Sickenanordnungen können Vollsicken bzw. Halbsicken vorgesehen sein, möglich ist auch eine Abfolge beider. Bezüglich der Begriffe ”Halbsicke” bzw. ”Vollsicke” wird auf die Figuren und die dortige Verwendung dieser Worte Bezug genommen.
Falls Vollsicken vorgesehen sind, ist es möglich, dass auf beiden Flanken der Vollsicke Durchführen vorgesehen sind. Dies kann also auf der von der Sicke aus gesehen den Gasleitungsstrukturen zugewandten Seite der Fall sein, außerdem auf der von den Gasleitungsstrukturen abgewandten Seite, d. h. in der Regel zur Medienöffnung/Portöffnung hin.
Weitere Ausführungsformen können vorstehen, dass die Durchführungen auf beiden Flanken der Sicke/der Sickenanordnung in Längsrichtung der Sicke zueinander versetzt sind oder dass diese im Wesentlichen zueinander nicht versetzt sind, d. h., dass die Durchführungen also im Wesentlichen fluchtend ausgeführt sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die erste und/oder zweite Strömungsplatte Dichtungsstrukturen oder Dichtungsbeschichtungen oder Verbindungsstrukturen, wobei die Verbindungsstrukturen vorzugsweise als Haken, Zip-Locks oder Clips ausgeführt sind und/oder Verbindungsbeschichtungen, welche vorzugsweise als Elastomere oder Klebstoffe ausgeführt sind, aufweist.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Gasleitungsstrukturen, die Durchführungen und/oder die Sickenanordnungen der Strömungsplatte integral gefertigt sind. Dies ermöglicht, dass beispielsweise in einem einzigen Herstellschritt (beispielsweise beim Prägen von Metallplatten bzw. Metallfolien) sämtliche Elemente zueinander richtig ausgerichtet sind, hierdurch werden die Herstelltoleranzen erheblich verbessert, da nicht mehrere Bauteile beteiligt sind.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Gasleitungsstrukturen 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 können. Hierbei können die Gasleitungsstrukturen bzw. Kanalstrukturen als Gewebe, Gestricke, Streckgerüste, Lamellen, Noppenfolien, Wellenstrukturen oder Einprägungen in plastisch verformbaren Materialien ausgeführt sein; möglich ist außerdem, dass die Gasleitungsstrukturen zusätzlich Verwirbelungsstrukturen zur besseren Vermischung (Diffusion der Medien) vorsehen. Die Strömungsplatten können zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen, insbesondere Blechen und/oder Folien bestehen und/oder zumindest bereichsweise aus thermoplastischen, elastomeren oder duroplastischen Kunststoffen, insbesondere Folien, hergestellt sein.
Außerdem sind, je nach Medium, angestrebtem Wirkungsgrad etc., unterschiedliche Betriebsweisen für den Befeuchter möglich, so dass die Hauptströmungsrichtung der Gasleitungsstrukturen auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Wassertransfermediums im Wesentlichen parallel (d. h. Gleichstrom oder Gegenstrom) oder im Wesentlichen senkrecht (Kreuzstrom) sein kann. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erste und die zweite Strömungsplatte sich in Materialwahl, Kanalform oder Kanalrichtung voneinander unterscheiden oder dass die erste und die zweite Strömungsplatte bautechnisch zueinander identisch ausgebildet sind. Hiermit werden die Herstellungskosten nochmals reduziert, da nicht unterschiedliche Produktionsmittel/Herstellungsmatrizen vorgesehen werden müssen, dies ist bautechnisch gegebenenfalls durch bestimmte Symmetrien (Punktsymmetrien) in den Plattenquerschnitten vorzusehen.
Das Wassertransfermedium kann als unverstärkte Membran vorgesehen sein. Diese unverstärkte Membran kann aufgelegt sein 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.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das Wassertransfermedium als verstärkte Membran ausgeführt und/oder dass diese Membran bereichsweise mit der ersten und/oder zweiten Strömungsplatte verbunden ist, um eine ausreichende Stützwirkung zum Überspannen der Gasleitungsstrukturen bereitzustellen.
Das Wassertransfermedium kann als poröses Medium, als beschichtetes und/oder imprägniertes Gewebe, als Membranlaminat, als ionengetränkte Membran, als Ionomermembran oder als Diaphragma ausgeführt sein. Die Wassertransferrate des Wassertransfermediums ist höher als die der in den Membran-Elektronen-Einheiten von Polymermembran-Brennstoffzellen verwendeten Membranen. Sie beträgt mindestens 25000 GPU, bevorzugt mindestens 30000 GPU und besonders bevorzugt mindestens 40000 GPU, oder in SI-Einheiten ausgedrückt, mindestens 1,88 × 10^–11 m·s^–1·Pa^–1, bevorzugt mindestens 2,25 × 10^–11 m·s^–1·Pa^–1, besonders bevorzugt mindestens 3,0 × 10^–1 m·s^–1·Pa^–1.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass auf der dem Wassertransfermedium abgewandten Seite der ersten und/oder zweiten Strömungsplatte ein mit einem Fluid befüllbarer Raum angeordnet ist. Dieser kann beispielsweise der Kühlung des Befeuchters dienen, ist aber für die gesamte Erfindung nicht zwingend notwendig. Es ist ebenso möglich, dass zwischen zwei Wassertransfermedien lediglich eine einteilige Strömungsplatte angeordnet ist. Auch gibt es Ausführungsformen, bei denen zwischen zwei Wassertransfermedien zwei Strömungsplatten angeordnet sind, wobei wiederum zwischen diesen zwei Strömungsplatten entweder Hohlräume zur Fluidführung angeordnet sind (d. h. beispielsweise zur Kühlung oder zur Führung anderer Medien) oder keine Hohlräume zur Fluidführung angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht einen Befeuchter vor, wobei mindestens eine Strömungsplatte im Bereich zwischen Port und Gasleitungsstrukturen im Querschnitt folgende Abfolge zeigt:

– Portöffnung
– Medienöffnung
– gegebenenfalls Sickenanordnung (vorzugsweise zum Port hin offene Halbsicke)
– Durchführung
– Sickenanordnung (vorzugsweise eine Vollsicke)
– Durchführung, wobei sich an die Durchführung vorzugsweise ein zu den Kanalstrukturen hin offener Durchbruch anschließt.

Die bereits oben angesprochenen Gasleitungsstrukturen können vorzugsweise als Gasleitungskanäle ausgeführt sein, allerdings sind auch andere Möglichkeiten der Medienführung im Flowfield (siehe oben) möglich. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen werden anhand der übrigen Ansprüche erklärt.
Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
1a eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Befeuchters ohne Kühlkreislauf,
1b eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Befeuchters mit Kühlkreislauf,
2a eine Teildraufsicht einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte,
2b einen Schnitt gemäß B-B aus 2a,
2c einen Schnitt gemäß C-C aus 2a,
3a eine perspektivische Darstellung zweier geschnittener Strömungsplatten mit dazwischen liegendem Wassertransfermedium,
3b einen Teilschnitt der Ebene B aus 3a,
4a eine perspektivische Ansicht einer Strömungsplatte im Bereich der Sickenanordnung mit linksseitigen Durchbrüchen und rechtsseitigen Durchführungskanälen,
4b eine perspektivische Ansicht einer Strömungsplatte, wobei der linksseitige Durchbruch und der rechtsseitige Durchführungstunnel in Sickenlängsrichtung versetzt angeordnet sind,
4c eine perspektivische Ansicht eines Bereichs einer Strömungsplatte, bei der links- und rechtsseitig der Sickenanordnung Durchführungskanäle angeordnet sind,
5a eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte mit eingelegter Gasverteilungsstruktur; und
5b einen Schnitt gemäß D-D aus 5a.
1a zeigt einen erfindungsgemäßen Befeuchter 100 für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen. Dieser weist einen ersten Eingang A zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang C zum Abgeben befeuchteten Gases sowie einen zweiten Eingang B zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang D zum Abgeben entfeuchteten Gases. Außerdem ist eine Mehrzahl erster und zweiter Strömungsplatten 2, 3 gezeigt, wobei jeweils zwischen den ersten und zweiten Strömungsplatten 2, 3 ein im Betrieb des Befeuchters im Wesentlichen gasundurchlässigen Wassertransfermedium 6 angeordnet ist, wobei die Wassertransferrate des Wassertransfermediums 6 mindestens 25000 GPU beträgt.
Die Schichtung von ersten und zweiten Strömungsplatten 2, 3 sowie Wassertransfermedien 6 ist durch die senkrechten Striche dargestellt, links- und rechtsseitig der Platten sind Befeuchterendplatten 1 vorgesehen, zwischen denen die dazwischen liegende Schichtung gepresst wird.
1b zeigt eine alternative Ausführungsform eines Befeuchters 100 nach 1a, wobei 1b zusätzlich einen Kühleingang F sowie einen Kühlausgang E zeigt. Das einströmende Kühlmedium kann beispielsweise in Fluidzwischenräume von Strömungsplatten 2, 3 eindringen und diese kühlen, dies kann die Effizienz des Befeuchters 100 günstig beeinflussen.
Detailansichten von ersten bzw. zweiten Strömungsplatten 2, 3 und Wassertransfermedien 6, welche in 1a und 1b verpresst sind, werden nun anhand aller folgenden Figuren nochmals näher erläutert.
2a zeigt einen Teilbereich einer ersten oder zweiten Strömungsplatte 2 bzw. 3.
Diese zeigt eine Außenkontur 13 sowie eine innerhalb der Außenkontur, vorwiegend im Wesentlichen parallel zu dieser verlaufende Außensicke 12. Bei der Außensicke 12 handelt es sich um eine sogenannte ”Vollsicke”, d. h., dass vom Plattennormalniveau aus zunächst eine Flanke 12a ansteigend ist auf ein gleichmäßiges Höhenniveau 12b und dann wieder eine Flanke 12c abfallend ist auf das Normalniveau der Platte. Eingefasst von dieser Außensicke 12 ist unter anderem eine Portöffnung 7. Die Portöffnung 7 ist wieder von einer Sickenanordnung bzw. Vollsicke 8 umgeben. Die Portöffnung 7 ist Teil einer senkrecht zur Blattrichtung verlaufenden Öffnung zur Durchleitung von Medien. Diese Medien werden bereichsweise zu dem Flowfield 14, das Gasleitungsstrukturen 4 in Form von Gasleitungskanälen enthält, geführt. Zur besseren Orientierung wird der zum Außenrand der Platte zeigende Abschnitt der Vollsicke 8 mit 8b bezeichnet, der zum Flowfield 14 weisende Abschnitt der Vollsicke 8 mit 8a.
Im Folgenden wird anhand von 2b (Schnitt B-B) und 2c (Schnitt C-C) darauf eingegangen, wie das Medium von der Portöffnung 7 zu den Gasleitungsstrukturen 4 geführt wird. Hierzu ist, siehe 2b, eine bzw. mehrere Medienöffnungen 5 vorgesehen, welche das Medium zunächst durch einen Durchführungskanal 10a in den Sickeninnenraum 11 führen und von da aus in den Durchführungskanal 10b bis zu einem Durchbruch 15 am Ende des Durchführungskanals 10b. Hierbei wird die Gesamtheit der medienführenden Abschnitte zwischen der Medienöffnung 5 und dem Durchbruch 15 am Ende des Durchführungskanals 10b als ”Durchführung” 9 bezeichnet.
Es ist in 2b gut zu sehen, dass die Sickenanordnung 8a zu beiden Flanken 83 hin Durchführungskanäle aufweist, wobei die Durchführungskanäle 10a und 10b zueinander fluchtend ausgestaltet sind.
Die Schichtung des Befeuchters 100 besteht, wie oben gesagt, aus mehreren Strömungsplatten (in 2b beispielhaft mit den Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnet), zwischen denen ein Wassertransfermedium 6 angeordnet ist. Das Wassertransfermedium 6 ist über weite Abschnitte beidseitig von Stützmedien 60 gestützt. Auf der einen Seite des Wassertransfermediums 6 (d. h. beispielsweise oberhalb) wird ein relativ feuchtes Gas 21 zugeführt, während auf der gegenüberliebenden Seite des Wassertransfermediums (beispielsweise im Schnitt B-B direkt unterhalb des Wassertransfermediums) relativ trockene Luft 20 zugeführt wird. Das Wassertransfermedium 6 ist nun relativ gasdicht ausgeführt, es kommt allerdings zu einem Ausgleich der Flüssigkeitskonzentration, so dass die vorher feuchte Luft 21 an Feuchtigkeit abnimmt und durch das Wassertransfermedium 6 diese an die zuvor trockene Luft 20 abgibt. In 2b wird die relativ trockene Luft durch die Portöffnung 7 und die Medienöffnungen 5 dem Befeuchter zugeführt, die Zufuhr der feuchten Luft 21 erfolgt über eine separate Portöffnung und ist in dieser Abbildung nicht dargestellt.
Wichtig ist nun, dass die gesamte Befeuchtereinheit relativ kleinbauend gestaltet werden kann, d. h., dass der Bauraum optimal ausgenutzt wird, so dass eine Vielzahl von Strömungsplatten bzw. dazwischenliegenden Wassertransfermedien angebracht werden kann. Andererseits sollte allerdings die Abdichtung der einzelnen Medien, auch bei hohen Drücken, ausreichend sein, um Druckabfälle durch Gasausgleichsvorgänge zwischen den Schichten zu vermeiden.
2c zeigt einen Schnitt gemäß C-C aus 2a. Hier ist gut zu sehen, wie das Wassertransfermedium 6 zwischen der ersten Strömungsplatte 2 und der zweiten Strömungsplatte 3 liegt und die Vollsicken 8 jeweils mit ihren oberen Flachseiten 81 unter Zwischenfassens des Wassertransfermediums 6 aufeinander liegen und somit eine gas- und flüssigkeitsdichte Barriere bilden.
In 2a ist zu sehen, wie in der Draufsicht die Durchbrüche 15 rund sind, d. h. in ihrer schrägen Öffnungsebene eine ovale Form bilden.
Es sei außerdem angemerkt, dass die Sicken 8 unterschiedliche Formen haben können, d. h. sie können als Vollsicken oder als Halbsicken ausgeführt sein.
Zusätzlich zu den hier genannten Sicken 8, die anhand der Beispiele nach 2a ff. aus Metallblech geprägt sind, können auch noch zusätzlich Dichtungsbeschichtungen bzw. Verbindungsstrukturen vorgesehen sein, wobei die Verbindungsstrukturen vorzugsweise als Haken, Zip-Locks oder Clips ausgeführt sind und/oder Verbindungsbeschichtungen, welche vorzugsweise als Elastomere oder Klebstoffe ausgeführt sind, vorgesehen werden.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befeuchters 100. Bei diesem Befeuchter 100 sind die Gasleitungsstrukturen 4 als Einleger 41 in eine rahmenförmige Grundplatte 42 eingelegt, wobei Grundplatte 42 und eingelegte Gasleitungsstrukturen 4 zusammen die Strömungsplatte 2, 3 bilden, wobei Einleger 41 und rahmenförmige Grundplatte 42 aus demselben oder unterschiedlichen Material bestehen. Die Gasleitungsstrukturen 4 können hier beispielsweise als Gewebe, Gestricke, Streckgerüste, Lamellen, Noppenfolien, Wellenstrukturen oder Einprägungen in plastisch verformbaren Materialien ausgeführt sein und gegebenenfalls Verwirbelungsstrukturen aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 5 sind überdies die Plattenpaare sowohl der rahmenförmigen Grundplatte 42 als auch des Einlegers 41 am Außenrand mittels Schweißlinien 45 dicht verschweißt.
Aus der Draufsicht der 5a wird weiterhin deutlich, dass die hier oben liegende Strömungsplatte 2, 3 Durchführungen 9 nicht an den großen Ports 7, sondern an den kleineren Ports 7' aufweist. Die darunterliegende komplementäre Strömungsplatte weist hier die Durchführungen 9 von den großen Portöffnungen 7 zum Flowfield auf.
Auch bezüglich des Wassertransfermediums 6, das in den 2a bis 2c und 5 als unverstärkte Membran mit flächig angrenzenden Stützmedien 60 ausgeführt ist, sind Abwandlungen möglich. So ist es beispielsweise möglich, Verstärkungen dieser Membran vorzusehen bzw. andere Ausführungsformen, auf die in der Beschreibungseinleitung eingegangen wurde.
Hierbei ist zu beachten, dass im Sinne der Erfindung das Wassertransfermedium eine Wassertransferrate von mindestens 25000 GPU, vorzugsweise von mindestens 30000 GPU, insbesondere von mindestens 40000 GPU aufweisen sollte. Als besonders geeignet haben sich die Membrantypen M 311.05 von Gore^® (W. L. Gore & Associates, Inc.) und Fumion^® C oder Fumion^® PM (Fumatech GmbH) herausgestellt.
Allen Ausführungsbeispielen in der vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, dass die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten 2, 3 Gasleitungsstrukturen 4 aufweisen und Portöffnungen 7 sowie von diesen abzweigenden Medienöffnungen 5 zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen 7 herum angeordneten elastischen Sickenordnungen 8 aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke 83 mindestens einer Sickenanordnung 8a mindestens eine Durchführung 9 zur Durchleitung von Gas von den Port- bzw. Medienöffnungen 7, 5 zu den Gasleitungsstrukturen 4 hin vorgesehen sind. Hier sieht eine bevorzugte Ausführungsform, wie sie beispielsweise in 2a gezeigt ist, vor, dass mindestens eine Strömungsplatte 2, 3 im Bereich zwischen Port 7 und Flowfield 4 im Querschnitt folgende Abfolge zeigt (siehe insbesondere 2a und 2b): an einen Port 7 schließt sich eine Medienöffnung 5 an, die beispielsweise durch eine offene Halbsicke gebildet wird, daran schließt sich dann ein Durchführungskanal 10a an, der schließlich im Bereich der Flanke 83 einer Sickenanordnung 8 an (in diesem Fall einer Vollsicke), auf der gegenüberliegenden Flanke 83 der Vollsicke 8a ist dann nochmals ein Durchführungskanals 10b vorgesehen, der schließlich zu den Gasleitungsstrukturen 4 hin führt.
In den 3a ff. werden nun zusätzliche bzw. alternative Ausführungsformen gezeigt.
Gemäß 3a schließt sich an den Port 7 bzw. die daran anschließende Medienöffnung wieder die Vollsicke 8a an (siehe 3a, oberste Schicht). Diese Vollsicke 8a weist Durchführungen 9 in Form von Durchbrüchen 15 auf beiden Seiten der Vollsicke 8a auf, d. h. auf der linken und auf der rechten Flanke. Diese Durchbrüche 15 sind jeweils zueinander fluchtend (also fluchtend quer zur Verlaufsrichtung der Sicke 8a) angeordnet. Diese Verhältnisse werden in der 3b, die eine Schichtung mehr als 3a zeigt, nochmals verdeutlicht, insbesondere anhand des Schnittes gemäß Ebene B (die in 3b gezeigte linksseitige Sickenanordnung ist in 3a nicht gezeigt, dort würde diese sich linksseitig anschießen). In 3b ist zudem eine verstärkte Membran als Wassertransfermedium 6 dargestellt.
4a zeigt ein weiteres Beispiel einer Strömungsplatte, bei der sich an die Portöffnung 7 und die daran anschießende Medienöffnung Durchbrüche 15 linksseitig der Sicke 8a und rechtsseitig der Sicke 8a Durchführungskanäle 10 anschließen.
4b zeigt eine Ausführungsform, bei der an eine räumlich kleiner gestaltete Portöffnung 7 auf der linken Flanke der Sickenanordnung 8a sich ein kreislochförmiger Durchbruch 15 befindet, hierzu in Sickenverlaufsrichtung versetzt schließt sich dann rechtsseitig ein Durchführungskanal 10 an.
Es sei angemerkt, dass in den 3a bis 4b der Medienfluss von der Portöffnung 7 zu der Kanalstruktur/Gasleitungsstruktur 4 jeweils durch Pfeile angezeigt wird.
Schließlich zeigt 4c eine Anordnung, bei der wiederum Medienfluss von der Portöffnung 7 zur Gasleitungsstruktur 4 geleitet wird und dass die dazwischen hegende Sickenanordnung 8a sowohl auf der linken als auch auf der rechten Flanke durch Durchführungskanäle 10a, 10b zeigt.

Claims

Befeuchter (100), vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: • einen ersten Eingang (A) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (C) zum Abgeben befeuchteten Gases sowie • einen zweiten Eingang (B) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (D) zum Abgeben entfeuchteten Gases, • mindestens eine erste (2) sowie eine zweite (3) Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium (6), wobei • die Wassertransferrate des Wassertransfermediums (6) mindestens 25000 GPU beträgt, wobei • die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten (2, 3) Gasleitungsstrukturen (4) aufweisen und Portöffnungen (7) sowie von den Portöffnungen (7) abzweigende Medienöffnungen (5) zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen (7) herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen (8) aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke (83) mindestens einer Sickenanordnung (8) mindestens eine Durchführung (9) zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen (7) zu den Gasleitungsstrukturen (4) hin vorgesehen sind.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassertransferrate des Wassertransfermediums (6) mindestens 30000 GPU, bevorzugt mindestens 40000 GPU, beträgt.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen (9) kreisförmig, oval oder eckig sind.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Durchführungskanal (10a, 10b) vorgsehen ist wobei der Durchführungskanal (10a, 10b) mit dem Sickeninnenraum (11) verbunden ist und zumindest zur Außenfläche (82) der Sickenflanke (83) geschlossen ist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sickenanordnungen (8) eine Vollsicke und/oder eine Halbsicke enthalten.
Befeuchter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke auf beiden Flanken (83) Durchführungen (9) enthält.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführungen beider Flanken (83) in Längsrichtung der Sicke (8) zueinander versetzt sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung beider Flanken (83) in Längsrichtung der Sicke (8) im Wesentlichen unversetzt ausgestaltet ist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (2) und/oder zweite (3) Strömungsplatte Dichtungsstrukturen oder Dichtungsbeschichtungen oder Verbindungsstrukturen, wobei die Verbindungsstrukturen vorzugsweise als Haken, Zip-Locks oder Clips ausgeführt sind und/oder Verbindungsbeschichtungen, welche vorzugsweise als Elastomere oder Klebstoffe ausgeführt sind, aufweist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungsstrukturen (4), die Durchführungen (9) und/oder die Sickenanordnung (8) der Strömungsplatten (2, 3) integral gefertigt sind.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungsstrukturen (4) als Einleger (41) in eine rahmenförmige Grundplatte (42) eingelegt sind, wobei Grundplatte (42) und eingelegte Gasleitungsstrukturen zusammen die Strömungsplatte (2, 3) bilden, wobei Einleger (41) und rahmenförmige Grundplatte (42) aus demselben oder unterschiedlichem Material bestehen.
Befeuchter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelegten Gasleitungsstrukturen (4) als Gewebe, Gestricke, Streckgerüste, Lamellen, Noppenfolien, Wellenstrukturen oder Einprägungen in plastisch verformbaren Materialien ausgeführt sind.
Befeuchter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungsstrukturen zusätzlich Verwirbelungsstrukturen aufweisen.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatten (2, 3) zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen, insbesondere Blechen und/oder Folien bestehen und/oder zumindest bereichsweise aus thermoplastischen, elastomeren oder duroplastischen Kunststoffen, insbesondere Folien hergestellt sind.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung der Gasleitungsstrukturen (4) auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Wassertransfermediums (6) 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) und die zweite (3) Strömungsplatte sich in Materialwahl, Kanalform und/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 17, 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 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Wassertransfermedium als (6) verstärkte Membran ausgeführt ist und/oder dass diese Membran bereichsweise mit der ersten (2) und/oder zweiten (3) Strömungsplatte verbunden ist, um eine ausreichende Stützwirkung zum Überspannen der Gasleitungsstrukturen (4) 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.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Wassertransfermedium (6) abgewandten Seite der ersten (2) und/oder zweiten (3) Strömungsplatte ein mit einem Fluid befüllbarer Raum angeordnet ist.
Befeuchter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Wassertransfermedien (6) lediglich eine einteilige Strömungsplatte angeordnet ist.
Befeuchter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Wassertransfermedien (6) zwei Strömungsplatten (2; 3) angeordnet sind, wobei zwischen diesen zwei Strömungsplatten entweder Hohlräume zur Fluidführung angeordnet sind oder keine Hohlräume zur Fluidführung angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem, enthaltend mindestens einen Befeuchter (100) 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 verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang zum Zuführen trockenen Gases mit einer Kathoden-Luftversorgungseinheit, wie z. B. einem Kompressor, verbunden ist.
Befeuchter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitungsstrukturen (4) als Gasleitungskanäle ausgestattet sind.
Befeuchter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strömungsplatte (2, 3) im Bereich zwischen Portöffnung (7) und den Gasleitungsstrukturen (4) im Querschnitt folgende Abfolge zeigt: • Portöffnung (7) • Medienöffnung (5) • gegebenenfalls Sickenanordnung (8), vorzugsweise als zur Portöffnung hin offene Halbsicke • Durchführung (9) • Sickenanordnung (8), vorzugsweise als Vollsicke • Durchführung (9).
Betriebsbereiter Befeuchter (100), vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen, enthaltend: • einen ersten Eingang (A) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (C) zum Abgeben befeuchteten Gases sowie • einen zweiten Eingang (B) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (D) zum Abgeben entfeuchteten Gases, • mindestens eine erste (2) sowie eine zweite (3) Strömungsplatte sowie ein zwischen erster und zweiter Strömungsplatte (2, 3) angeordnetes, im Betrieb im Wesentlichen gasundurchlässiges Wassertransfermedium (6), wobei • der Befeuchter betriebsbereit über die ersten und zweiten Ein- und Ausgänge (A, B, C, D) angeschlossen und beidseits des Wassertransfermediums (6) jeweils mit Luft (20, 21) als Gas befüllt ist, wobei • die ersten und/oder zweiten Strömungsplatten (2, 3) Gasleitungsstrukturen (4) aufweisen und Portöffnungen (7) sowie von den Portöffnungen (7) abzweigende Medienöffnungen (5) zur Zu- und Abfuhr von Gas mit um die Portöffnungen (7) herum angeordneten elastischen Sickenanordnungen (8) aufweisen, wobei an mindestens einer Flanke (83) mindestens einer Sickenanordnung (8) mindestens eine Durchführung (9) zur Durchleitung von Gas von den Portöffnungen (7) zu Gasleitungsstrukturen (4) hin vorgesehen sind.