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Das vorliegende Schutzrecht betrifft eine Gasdiffusionslage zum Einsatz in einem elektrochemischen System, und insbesondere für entsprechende Befeuchter. Neben Anwendungen im Bereich elektrochemischer Systeme sind Befeuchter einsetzbar für die Aufbereitung von Luft im Bereich der Gebäudetechnik und des Luftmanagements in Fahrzeugen, d. h. in einem Bereich, der unter dem englischen Begriff "heating, ventilation and air conditioning" (HVAC), also Heizung, Belüftung und Klimatisierung, zusammengefasst wird.
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Bei den genannten elektrochemischen Systemen kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, einen Elektrolyseur oder Ähnliches handeln.
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Es stellt sich bei Systemen der oben genannten Art die Aufgabe, einen Befeuchter zur Verfügung zu stellen, der Prozessgas entweder be- oder entfeuchtet bzw. Feuchtigkeit von einem Prozessgas auf ein anderes überträgt und den Feuchtigkeitsgehalt des erste Prozessgas dabei reduziert und den des zweite Prozessgases erhöht.
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Bekannte Befeuchtersysteme umfassen gewöhnlich eine Vielzahl von Befeuchterzellen, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei jede Befeuchterzelle beidseitig von einer Separatorplatte bzw. einer Einzelplatte einer Separatorplatte begrenzt wird. Die Separatorplatten können eine oder zwei Einzelplatten umfassen. Umfasst eine Separatorplatte zwei Einzelplatten, sind diese vorzugsweise entlang ihrer von den Befeuchterzellen abgewandten Rückseiten miteinander verbunden. In diesem Fall zählen die beiden Einzelplatten einer Separatorplatte somit zu zwei unterschiedlichen Befeuchterzellen. Besteht die Separatorplatte aus einer Einzelplatte, so zählt die Separatorplatte zu zwei Befeuchterzellen.
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Die Separatorplatten können dazu ausgebildet sein, die Befeuchterzellen mit Medien zu versorgen und die an- und abgereicherten Medien von den Zellen abzutransportieren. Dazu können die Separatorplatten Kanalstrukturen aufweisen, die einen be- oder entfeuchtenden Bereich definieren. Zur Sicherstellung, dass das zu be- oder zu entfeuchtende Medium einerseits mit der entsprechenden Befeuchtermembran der Befeuchterzelle in Verbindung kommt, andererseits eine entsprechende Abstützung der Befeuchtermembran bezüglich der Kanalstruktur gewährleistet wird, sind poröse Gasdiffusionslagen üblich, die im Bereich zwischen der Befeuchtermembran und den entsprechenden Kanalstrukturen angeordnet sind.
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Aufgrund der hohen Kosten für Befeuchtermembranen sowie des beschränkten Platzangebots, insbesondere bei mobilen Anwendungen, stellt sich nun die Aufgabe, eine Gasdiffusionslage, eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit, eine Befeuchterzelle bzw. ein elektrochemisches System oder ein HVAC-System zu schaffen, das die Befeuchtermembran im Dauerbetrieb vor Beschädigungen schützt und eine effiziente Be- und/oder Entfeuchtung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche gelöst.
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Dies betrifft zunächst eine Gasdiffusionslage zum Einsatz in einem elektrochemischen System oder in einem HVAC-System, wobei die Gasdiffusionslage in einem be- oder entfeuchtenden Bereich mindestens eine senkrecht zu einer Planebene (X-Y-Ebene) verlaufende, durchgehende Perforation aufweist.
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Mit dem Merkmal "Gasdiffusionslage in einem be- oder entfeuchtenden Bereich" ist ausgedrückt, dass in einem Bereich, in dem tatsächlich eine Be- oder Entfeuchtung stattfindet, mindestens eine entsprechende Perforation vorgesehen ist.
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Eine solche Gasdiffusionslage ist, wie bereits oben angesprochen, regelmäßig zwischen einer eigentlichen Befeuchtermembran und einer Kanalstruktur zu finden. Zur Vorkonfektionierung/Positionierung sind hierbei auch Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten vorgesehen; diese enthalten eine Membran, insbesondere eine Befeuchtermembran sowie zumindest bereichsweise mindestens eine Gasdiffusionslage mit den oben beschriebenen Merkmalen und/oder mit Merkmalen aus der vorliegenden Beschreibung. Hierbei können an einer oder zwei Seiten der Planebene (X-Y-Ebene) der Membran die Gasdiffusionslagen angebracht sein.
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Eine Ausführungsform sieht beispielsweise eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit vor, wobei diese in einem Außenbereich Durchgangslöcher zum Durchführen von Elementen wie Schrauben, Verspannbolzen oder dergleichen aufweist und eine in einem Innenbereich bis zur Befeuchtermembran (also in z-Richtung) reichende Perforation zur Senkung des Diffusionswiderstands in einem be- oder entfeuchtenden Bereich aufweist. Darüberhinaus kann dieser Außenbereich weitere Durchgangsöffnungen aufweisen, die in nach Verbau der Membran-Gasdiffusionlagen-Einheit in einer Befeuchterzelle der Zu- bzw. Abfuhr von Medien zu bzw. von der Befeuchterzelle dient.
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Eine andere Ausführungsform sieht beispielsweise eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit vor, die gegenüber der Befeuchterzelle, in der sie verbaut werden soll, eine geringere Flächenausdehnung aufweist. Diese Membran-Gasdiffusionlagen-Einheit weist außer den Perforationen keine Durchgangsöffnungen auf, da sie im verbauten Zustand nicht bis in den Bereich hineinragt, durch den sich die Durchgangsöffnungen für die Medienver- und entsorgung und/oder für Befestigungsmittel erstrecken.
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Die Randbereiche der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit können dabei verstärkt sein, und zwar sowohl bei der Variante, bei der in den Randbereichen Durchgangsöffnungen vorhanden sind, als auch bei der Variante ohne Durchgangsöffnungen in den Randbereichen. Hierzu wird üblicherweise eine Zusatzfolie lokal bzw. umlaufend eingesetzt.
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Das vorliegende Schutzrecht betrifft außerdem eine Befeuchterzelle, enthaltend mindestens eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit wie in den vorhergehenden Absätzen beschrieben sowie zwei Separatorplatten, die sich an jeweils einer Seite einer Fläche der Planebene (X-Y-Ebene) der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit anschließen. Diese Separatorplatten weisen regelmäßig eine umlaufende Dichtbarriere, beispielsweise um ein Strömungsfeld herum, auf. Innerhalb dieser umlaufenden Dichtbarriere weisen die benachbarten Gasdiffusionslagen die vorgenannten Perforationen auf, um einerseits den Diffusionswiderstand in einem be- oder entfeuchtenden Bereich zu erhöhen und andererseits die Stabilität der Gasdiffusionslage so beizubehalten, dass (auch zum Schutze der Befeuchtermembran) der Abstand zu Strömungskanälen in einem Strömungsfeld der Separatorplatte erhalten bleibt. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass die Separatorplatten den be- oder entfeuchtenden Bereich in der X-Y-Ebene der Gasdiffusionslage definieren, innerhalb dessen die Gasdiffusionslage die beanspruchten Perforationen zur Senkung des Diffusionswiderstands aufweist.
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Das vorliegende Schutzrecht bezieht sich außerdem auf ein elektrochemisches System oder ein HVAC-System, enthaltend einen Stapel mehrerer Befeuchterzellen wie zuvor beschrieben, mit zwei Leitungssystemen, wobei ein erstes Leitungssystem zum Zuführen feuchten Gases und Abführen entfeuchteten Gases vorgesehen ist sowie ein zweites Leitungssystem zum Zuführen trockenen Gases und Abführen befeuchteten Gases vorgesehen ist.
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Kurz gefasst kann zu allen oben beschriebenen Gegenständen gesagt werden, dass das Ziel die Erhöhung des Wasserübertrags in einem be- oder entfeuchtenden Bereich ist und diese durch gezieltes Perforieren der Gasdiffusionslage erzielbar ist. Dadurch wird der Diffusionswiderstand reduziert und trotzdem die notwendige Abstützung der Gasdiffusionslage (zur Einhaltung des Abstands zwischen Membran und Kanälen eines Strömungsfelds der Separatorplatte) erhalten. Außerdem kann der Aufbau eines entsprechenden Befeuchters vereinfacht werden, wenn beispielsweise nur eine einseitige Abstützung durch eine Gasdiffusionslage auf der Niederdruckseite der Befeuchtermembran des Befeuchters vorgesehen wird.
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Mit anderen Worten kann also durch das Einsetzen einer perforierten Gasdiffusionslage (bzw. einer entsprechenden Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit bzw. einer entsprechenden Befeuchterzelle) eine maximal geöffnete Ebene/Fläche an der aktiven Befeuchtermembran geschaffen werden. Dadurch sind größere Bereiche der Membran besser mit Gasen versorgt, wodurch ein besserer Wasserübertrag resultiert. Dies führt dazu, dass durch diese Effizienzsteigerung bei der Befeuchtung teure Membranfläche eingespart werden kann. Wird die perforierte Gasdiffusionslage dann auch noch nur einseitig (d. h. nur auf einer Seite, insbesondere auf der Feuchtgasseite) verbaut (dies ist regelmäßig möglich, da der Druck auf der Trockengasseite systembedingt höher ist als auf der Feuchtgasseite), können Bauteile eingespart werden, ein erleichtertes Handling und eine erleichterte Montage sichergestellt werden und somit auch Kostenvorteile realisiert werden. Insbesondere kann auch eine bessere Gleichverteilung / homogenere Feuchtigkeitsverteilung durch ein Überströmen der Gase in einen benachbarten Kanal des Strömungsfeldes erzielt werden. Der verbleibende Materialanteil der Gasdiffusionslage dient weiterhin als Stütze der Membran, um ein Eindringen der Membran in den Kanal zu verhindern. Wie oben gesagt, ist eine solche Gasdiffusionslage eher auf der Feuchtgasseite notwendig bzw. sinnvoll, da das systembedingte Druckgefälle dort ein Stützgewebe sinnvoll erscheinen lässt.
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Im Folgenden werden Weiterbildungen der oben genannten Gegenstände beschrieben. Es sei bemerkt, dass beispielsweise Verbesserungen / veränderte Ausführungsformen der Gasdiffusionslage nicht nur diese Gasdiffusionslage selbst, sondern auch beispielsweise die Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit und ein entsprechendes HVAC-System etc. beeinflussen können.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Gasdiffusionslage Polyester, wie Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN) oder Polybutylenterephthalat (PBT), Polyolefine, wie Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE), Polyamide, wie Polyphthalamid (PPA), Polyimide, wie Polyetherimid (PEI), Polyamidimide (PAI), Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfone (PSU) Polyphenylensulfid (PPS) oder Grafit enthält oder aus mindestens einem dieser Stoffe besteht. Die oben genannten Stoffe sind chemisch inert und auch großindustriell leicht herstellbar, so dass hiermit kostengünstige Werkstoffe mit vorhersehbaren Eigenschaftsprofilen zur Verfügung stehen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Gasdiffusionslage im Wesentlichen als Vlies, Gewebe und/oder Gewirke ausgebildet ist. Dies sind nur Beispiele von porösen Strukturen; wichtig ist hierbei, dass diese einerseits mechanisch eine gute Stützwirkung haben und andererseits einen geringen Diffusionswiderstand aufweisen, der im Bereich der Perforation dann noch einmal niedriger ist.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Gasdiffusionslage senkrecht zur Planebene (X-Y-Ebene) eine Dicke von 15 μm bis 250 μm, vorzugsweise 50 μm bis 180 μm, insbesondere von 100 μm bis 150 μm, aufweist. Diese Dicken sind einerseits hinreichend, um die Befeuchtermembran wirksam mechanisch gegen eine Beschädigung an der Kanalstruktur des Strömungsfeldes zu schützen, und andererseits dünn genug, um einen geringen Diffusionswiderstand zu erzielen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Perforationen als in ein Diffusionslagen-Ausgangsmaterial mittels Laser oder (Roll-)Stanzen hergestellte Öffnungen hergestellt sind. Somit sind diese Strukturen großindustriell mit guter Reproduzierbarkeit kostengünstig herstellbar. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass andere Produktionsmethoden zur Anwendung kommen, beispielsweise dass die Perforationen unmittelbar bei der Herstellung eines Gespinstes/ Vlieses/Gewebes/Gewirkes mit eingeformt werden. Die oben genannten Herstellungsverfahren sind jedoch auch kombinierbar. Prinzipiell haben die Herstellungsmethode unterschiedliche Vorteile; beispielsweise besticht das Laserverfahren durch Präzision und einfache Geometrieanpassung, während Stanzen, insbesondere Rollstanzen, für sehr große Stückzahlen besonders gut geeignet ist. Grundsätzlich sind aber auch andere Schneidverfahren möglich.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Anteil der Perforationen bezogen auf die Gesamtfläche eines be- oder entfeuchtenden Bereichs zwischen 10 % und 70 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 50 %, besonders vorzugsweise zwischen 30 % und 40 % beträgt. Hierdurch wird einerseits eine bestmögliche Senkung des Diffusionswiderstands erreicht, andererseits aber noch eine ausreichende Stabilität gewährleistet.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine Perforation in der Planebene (X-Y-Ebene) der Gasdiffusionslage eine sternförmige, rautenförmige, runde, ovale, langlochförmige und/oder rechteckige Struktur aufweist. Dies sind Strukturen, die einerseits großindustriell leicht herstellbar sind, andererseits eine hohe Steifigkeit/Stabilität der Gasdiffusionslage im be- oder entfeuchtenden Bereich gewährleisten.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mehrere Perforationen auf derselben Gasdiffusionslage mit gleichartig strukturierten Strukturen versehen sind. Hierdurch wird ein Raster bereitgestellt, das großindustriell leicht herstellbar ist. Eine Weiterbildung sieht hierbei vor, dass die Perforationen zumindest bereichsweise, vorzugsweise in einem be- oder entfeuchtenden Bereich, ungleichmäßig über die Fläche der Gasdiffusionslage verteilt sind, wobei vorzugsweise zu einer Ecke oder zu einer Stirnseite hin eine höhere Konzentration von Strukturen gegeben ist.
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Zusätzlich kann die Gasdiffusionslage auch in einem Peripheriebereich/Randbereich Durchgangsöffnungen aufweisen, welche beispielsweise zum Durchführen von Schrauben, Bolzen etc. zum Verspannen eines Befeuchterstapels geeignet sind.
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Eine Weiterbildung der oben genannten Befeuchterzelle sieht vor, dass die Separatorplatten Kanäle zum Heranführen von gasförmigen Medien an die Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit bzw. die Membran aufweist, wobei die Kanäle senkrecht in oder parallel zu der Ebene der jeweiligen Befeuchterzelle verlaufen. Hierbei sieht eine Ausführungsform vor, dass die Kanäle fluidleitend mit mindestens einer Zu- und/oder Ableitung, auch als Ports bezeichnet, für gasförmige Medien verbindbar sind.
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Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass Zu- und/oder Ableitungen für gasförmige Medien im Bereich des seitlichen Randes der Separatorplatten und/oder im Bereich von Ecken der Separatorplatten angeordnet sind. Hierdurch wird es möglich, die Führung des jeweiligen Mediums zwischen den Separatorplatten jeweils im Randbereich der Separatorplatten sicherzustellen, so dass im Mittenbereich der Befeuchterzellen/ Separatorplatten ein be- und/oder entfeuchtender Bereich geschaffen werden kann, der beispielsweise umlaufend abgedichtet ist. Die Zu- und/oder Ableitungen für gasförmige Medien erstrecken sich dabei senkrecht zur Ebene der Separatorplatten und erstrecken sich dabei durch eine Vielzahl von Befeuchterzellen bzw. Separatorplatten.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Separatorplatten aus Metallblech, wie beispielsweise in der
DE 20 2012 004 927 U1 beschrieben, aus Kunststoff, wie etwa in der
DE 20 2016 100 670.8 und/oder aus Metall-Kunststoff-Kompositaufbauten bestehen. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass die Separatorplatten aus einem Metallblech geprägt sind und dass Dichtstrukturen, beispielsweise in der Form von Sicken, gleich bei der Prägung der Metallplatte mitgeprägt werden. Auf diese Weise kann schnell, sicher und kostengünstig ein Dichtbereich, der beispielsweise ein Strömungsfeld einer Separatorplatte bzw. einen entsprechenden be- oder entfeuchtenden Bereich einer Gasdiffusionslage umgibt, hergestellt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
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1a ein Befeuchtermodul,
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1b eine schematische Darstellung eines elektrochemischen Systems,
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1c eine Explosionsansicht einer Befeuchterzelle aus dem in 1a gezeigten Befeuchter,
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2a–2i Gasdiffusionsplatten mit unterschiedlichen Perforationen sowie
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3a–3f Querschnitte von Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten.
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1a zeigt einen Befeuchter H (auch Befeuchtermodul H genannt). Dem Befeuchter wird Feuchtgas A zugeführt, beispielsweise aus einem Brennstoffzellenstapel kommend, und entfeuchtetes Feuchtgas D abgeführt. Des Weiteren wird Trockengas B hier von einem Kompressor K ab- und dem Befeuchter zugeführt und befeuchtetes Trockengas C vom Befeuchter H abgeführt. Der Befeuchter H ist als Stapel mehrerer Befeuchterzellen ausgeführt, wobei der Aufbau der einzelnen Zellen in 1c (siehe unten) näher beschrieben wird. In 1a ist zu sehen, dass die Zuführung des Feuchtgases A der Abführung des entfeuchteten Gases D diagonal gegenüberliegt und ebenso die Zuführung des Trockengases B der Abführung des befeuchteten Gases C diagonal gegenüberliegt. Diese Anordnung der nachfolgend auch als Durchgangsöffnungen bezeichneten Ports 7 erlaubt sowohl einen Parallelstrom der zugeführten Gase A, B in negativer X-Richtung als auch einen Gegenstrom der zugeführten Gase A, B in der und gegen die Y-Richtung. Die Flussrichtung hängt aber von der Gestaltung der Separatorplatten ab.
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1b zeigt ein elektrochemisches System 2 am Beispiel eines schematischen Kathodensystems einer Brennstoffzelle. Hierbei wird Luft vom Kompressor K über eine Leitung B dem Befeuchter H und über eine Leitung C der Brennstoffzelle S zugeführt. Das feuchte Abgas der Brennstoffzelle S wird über eine Leitung A dem Befeuchter H zugeführt und schließlich über die Leitung D abgeführt.
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1c zeigt eine Befeuchterzelle 5 aus dem in den 1a und 1b gezeigten Befeuchter H. In 1c sind mehrere flache Elemente, jeweils mit der Planebene in der X-Y-Ebene, gezeigt. Es ist hier eine Explosionsansicht einer einzelnen Befeuchterzelle zu sehen; in 1a ist ein Stapel mehrerer dieser Befeuchterzellen gezeigt, der mechanisch verpresst wird, um die Abdichtung der einzelnen fluidführenden Bereiche voneinander sicherzustellen.
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In 1c sind zwei Separatorplatten 6, 6‘ in bipolarem Aufbau gezeigt. Das bedeutet, dass auf den sichtbaren Seiten der beiden Separatorplatten 6, 6‘ dasselbe Gas von der Durchgangsöffnung 7 rechts oben zur Durchgangsöffnung 7 links unten geleitet wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um das Gas handeln, das befeuchtet wird. Das Gas fließt dabei von der Durchgangsöffnung 7 über einen Verteilbereich 11 zum eigentlichen Flowfield, in dem sich die Kanäle 10 erstrecken. Von dort fließt es über einen Sammlerbereich 11 zur abführenden Durchgangsöffnung 7. Dieser Separatorplatte angrenzend ist eine Gasdiffusionslage 1b, dann kommt die Membran 8 und dann wieder eine Gasdiffusionslage (diesmal mit 1a bezeichnet). Die Gasdiffusionslagen 1a, 1b sowie die dazwischenliegende Befeuchtermembran 8 stellen eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4 dar. Die flächige Ausdehnung der drei Lagen der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4 ist dabei geringer als die flächige Ausdehnung der Separatorplatten 6, 6‘ in der X-Y-Ebene. Die Durchgangsöffnungen 7 erstrecken sich also nicht durch die Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4, sie entsprechen in diesem Aspekt also den nachfolgend gezeigten Ausführungsformen der 3d und 3e und weisen keine Durchgangsöffnungen 9 auf.
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Auf der Rückseite der beiden Separatorplatten wird ein anderes Gas, beispielsweise das Feuchtigkeit abgebende Gas von der Durchgangsöffnung links oben 7 zur Durchgangsöffnung rechts unten 7 geführt. Die Gase, zwischen denen Feuchtigkeit übertragen wird, fließen also im Gegenstrom. Alternativ hierzu ist auch ein Durchströmen im Gleichstrom möglich, aber aufgrund des etwas geringeren Wirkungsgrads nicht unbedingt bevorzugt. Ein Kreuzstrom ist durch die Wahl entsprechender Kanalwinkel und abweichender Anordnung der Durchgangsöffnungen 7 ebenfalls möglich.
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Alternativ zum hier gezeigten bipolaren Aufbau, bei dem jede Separatorplatte identisch gestaltet ist und auf Vorder- und Rückseite unterschiedliche Gase führt, ist auch ein monopolarer Aufbau möglich, bei dem die Separatorplatten paarweise unterschiedlich gestaltet sein können oder zumindest mit unterschiedlicher Orientierung angeordnet sind und bei dem alternierende Platten jeweils unterschiedliche Gase führen, wobei auf beiden Oberflächen einer Separatorplatte dasselbe Gas geleitet wird.
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Mindestens eine der Gasdiffusionslagen (vorliegend die Gasdiffusionslage 1b) zeigt mindestens eine Perforation 3, welche die bessere Fluidleitung/Diffusion zwischen Kanälen 10 der Separatorplatte 6 und der Befeuchtermembran 8 ermöglicht. Es handelt sich bei der Gasdiffusionslage 1a also um eine Gasdiffusionslage zum Einsatz in einem elektrochemischen System 2 oder in einem HVAC-System, wobei die Gasdiffusionslage in einem be- oder entfeuchtenden Bereich mindestens eine senkrecht zu einer Planebene (X-Y-Ebene) verlaufende durchgehende Perforation 3 aufweist.
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In
1c ist weiterhin erkennbar, dass das Flowfield mit den Kanälen
10 von einer umlaufenden Dichtung
12 umgeben ist und auch die Durchgangsöffnungen
7 jeweils von einem Dichtelement
13 abgedichtet werden. Um dennoch Fluid von der Durchgangsöffnung
7 zum Verteilbereich
11 fließen zu lassen, sind die Dichtelement
13 mit einem Durchtrittsbereich
14 versehen, bei einer metallischen Separatorplatte ist dieser beispielsweise analog zur
DE 20 2012 004 927 U1 ausgestaltet. Bei Kunststoff- oder Kompositplatten sind entsprechende Durchtrittsmöglichkeiten durch das Dichtelement
13 geschaffen.
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Die Gasdiffusionslagen 1a und 1b sind vorliegend aus Polypropylen hergestellt, sind über ihre gesamte Fläche porös und zusätzlich zumindest abschnittsweise in einem Laserverfahren mit der Perforation 3 versehen. Alternativ kann die Gasdiffusionslage jedoch auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise PET, PPS oder PA, bestehen oder diese Materialien enthalten. Ebenso ist es möglich, dass die Gasdiffusionslage als Gewebe und/oder Gewirke ausgebildet ist. Die Gasdiffusionslage 1a bzw. 1b hat eine mittlere Dicke von etwa 120 μm. Wie weiter unten (siehe 3a–3f) nochmals beschrieben wird, müssen nicht alle Gasdiffusionslagen mit Perforation versehen sein, und es müssen auch nicht überall Gasdiffusionslagen (beispielsweise auf der Trockenseite) vorgesehen sein. Im Folgenden wird daher vor allem auf eine Gasdiffusionslage 1a (oder auf eine diese enthaltende Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4) eingegangen, wobei die Gasdiffusionslage 1a Perforationen 3 aufweist. Diese Perforationen sind in einem Bereich vorgesehen, in dem die Gasdiffusionslage ein Strömungsfeld einer Separatorplatte überdeckt. Hierbei wird der Bereich, in dem be- und/oder entfeuchtet wird, als be- und/oder entfeuchtender Bereich verstanden. Üblicherweise ist dieser Bereich, wie in 1c in einem etwas abweichenden Beispiel gezeigt, von einer umlaufenden Dichtbarriere 12 umgeben, die ein unbeabsichtigtes Ausströmen von Fluid in der X-Y-Ebene verhindert. Der Flächenanteil der Perforation beträgt hierbei beispielsweise 10 % bis 70 % des be- oder entfeuchtenden Bereichs, d. h., dass 10 % bis 70 % des be- oder entfeuchtenden Bereichs (also des von der Dichtbarriere umgebenen Bereichs der Gasdiffusionslage) mit Perforationen versehen sind, die einen Durchgang zu der Befeuchtermembran 8 bilden.
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Außerhalb einer entsprechenden Dichtbarriere bzw. außerhalb des Strömungsfeldes können weitere Perforationen in einer Gasdiffusionslage vorgesehen sein, welche dann nicht zu einer Verringerung des Diffusionswiderstands im aktiv be- oder entfeuchtenden Bereich dienen, sondern zum Durchführen von Bolzen und/oder Schrauben zur Verspannung und Kompression des Befeuchterstapels, wie anhand von 3 noch erläutert wird.
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Die 2a bis 2i zeigen verschiedene Ausführungsformen von Gasdiffusionslagen 1a, wobei hier eine rechteckige Form gezeigt wird und auf die Darstellung des Peripheriebereichs verzichtet wird, d. h., es ist hier nur der be- oder entfeuchtende Bereich der Gasdiffusionslage gezeigt, der beispielsweise im verbauten Zustand in einer Befeuchterzelle an einem Strömungsfeld 10 einer Separatorplatte 6 anliegt. Hierbei zeigt 2a langlochförmige Perforationen, 2b ebenso, wobei hier eine ungleichmäßige Verteilung der Perforationen gegeben ist, 2c zeigt runde Perforationen, und die 2d und 2e zeigen wiederum langlochförmige Ausführungsformen, wobei in 2d die langlochförmigen Perforationen im Wesentlichen diagonal gleichgerichtet angeordnet sind und in 2e (jedoch nur jeweils auf der linken bzw. rechten Hälfte) diagonal gleichartig angeordnet sind. 2f zeigt eine wellenförmige Ausführungsform, 2g eine rautenförmige Ausführungsform und 2h wiederum eine Ausführungsform mit runden Perforationen, wobei hier allerdings eine über die Fläche ungleichmäßige Verteilung der Perforationen gezeigt ist. Schließlich zeigt 2i eine Ausführungsvariante mit kreuzartigen Perforationen.
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Nachfolgend wird auf Besonderheiten einiger Ausführungsformen eingegangen.
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Bei der 2b steht die Schutzfunktion der Gasdiffusionslage für die Membran im Vordergrund. Der Einsatz für diese Perforation könnte auf der Trockengasseite sein, da dort durch die Verdichtung der Luft im Kompressor hohe Temperaturen sind. Die Strömungsrichtung wäre dann vom Eintritt rechts oben bis zum Austritt links unten. Am Eintritt des Gases ist die Gasdiffusionslage geschlossen, das Gas strömt mit nur geringen Übertrittsraten aufgrund der Porosität der Gasdiffusionslage auf deren Oberfläche entlang und kühl sich dabei ab bis die Temperatur unkritisch ist. Ab dem Bereich, in dem diese unkritische Temperatur erreicht ist, ist die Gasdiffusionslage zwecks Performancesteigerung mittels Perforationen 3 geöffnet.
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Bei der 2d kann eine gleichmäßige Membranversorgung mit Gas durch die Gasdiffusionslage erfolgen. Durch die diagonale Portanordnung besteht immer ein bevorzugter, besser versorgter Bereich in der gedachten direkten Verbindungslinie beim Beispiel mit dem Eintritt links oben und dem Austritt rechts unten. Durch die langlochartige Perforation wird das Gas durch Überströmen an die schlechter versorgten Ränder (rechtwinklig zur gedachten direkten Verbindungslinie der Ports 7) getrieben.
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Die 2h kann zur gleichmäßigeren Flächenbelastung durch den Wassertransfer durch die Membran eingesetzt werden. Da zu Beginn einer Befeuchterzelle ein hoher Gradient der Feuchte zwischen den beiden durch die Membran getrennten Gasen einen hohen Wassertransfer von Feuchtgas zu Trockengas generiert, dieser aber entlang der Zelle abnimmt, wird die Membran unterschiedlich belastet. Um das zu kompensieren, kann die Gasdiffusionslage dem Gradienten folgend perforiert werden, so dass bei hohem Feuchtigkeitsgradienten eine geringe Dichte von Perforationen 3 und bei niedrigem Gradienten eine hohe Dichte von Perforationen gegeben ist.
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Die 3a bis 3f zeigen unterschiedliche Varianten einer Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit. 3a zeigt eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4. Hier ist ein Schnitt durch die X-Z-Ebene gezeigt. Oberhalb einer Befeuchtermembran 8 (als Rechtsschraffur gezeigt) ist eine Gasdiffusionslage 1a (als Kreuzschraffur gezeigt), wobei diese Perforationen 3 aufweist. Die Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4 zeigt außerdem auf ihrer Unterseite eine weitere Gasdiffusionslage 1b, die keine Perforationen aufweist. Die Membran 8 wird also auf beiden Seiten gestützt.
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Nicht gezeigt ist oberhalb und unterhalb der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit jeweils eine Separatorplatte (siehe hierzu 1c).
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3b zeigt eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4', wobei im Unterschied zu der in 3a gezeigten Darstellung auch die untere Gasdiffusionslage (hier mit 1b' bezeichnet) Perforationen aufweist. Zudem ist in den Randbereichen eine Verstärkungsfolie 15 zu erkennen, die zur Randverstärkung der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit führt.
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3c zeigt eine Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit 4'', bei der nur auf einer Seite der Befeuchtermembran 8 eine Gasdiffusionslage 1a gezeigt ist, hier auf der Feuchtgasseite.
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Die kreuzschraffierten Bereich in den 3a bis 3c geben die aktiv be- und/oder entfeuchtende Fläche an. Dies ist der Bereich, in dem die Gasdiffusionslagen ihre größte Dicke haben (gekennzeichnet in den 3a bis 3c durch "h" in den Perforationen 3). Dies ist auch der be- und/oder entfeuchtende Bereich, auf den die entsprechenden Flächenmaße (Verhältnis der perforierten Fläche zur nichtperforierten Fläche be- und/oder entfeuchtenden Bereich in der X-Y-Ebene) bezogen sind. Außerhalb dieses Bereichs ist die Gasdiffusionslage (hier beispielhaft) derart verpresst, dass der Diffusionswiderstand deutlich höher ist, so dass hier keine wirksame Be- und/oder Entfeuchtung stattfindet. Stattdessen ist eine umlaufende Dichtbarriere (hier nicht gezeigt) gegeben. Zusätzlich sind Durchgangsöffnungen 9 gezeigt, die die gesamte Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit durchdringen und die beispielsweise in fluidischer Kommunikation mit den Durchgangsöffnungen 7 in den Separatorplatten stehen können, um in z-Richtung die Weiterleitung der Reaktionsgase durch den Befeuchterstapel zu ermöglichen. Die Verpressung der Gasdiffusionslage sorgt auch dafür, dass keine Gase in der X-Y-Ebene aus den Durchgangsöffnungen 7 bzw. 9 austreten.
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3d und 3e zeigen ähnliche Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten wie 3a und 3c, wobei hier jedoch die Flächenausdehnung aller drei Lagen 1a, 8, 1b bzw. der beiden Lagen 1a, 8 reduziert ist. Diese Membran-Gasdiffusionslagen-Einheiten 4‘‘‘ bzw 4‘‘‘‘ sind zum Verbau lediglich in demjenigen Bereich der Befeuchterzellen vorgesehen, der in den Separatorplatten von einer Dichtbarriere 12 umgeben ist.
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3f zeigt eine Variante zur 3b, hier reicht zwar die eigentliche Membran 8 bis in den Bereich der Durchgangsöffnungen 7 der angrenzenden Separatorplatten und enthält hier die Durchgangsöffnungen 9, die Gasdiffusionslagen 1a, 1b reichen hingegen nur bis zu einer Dichtbarriere 12 der angrenzenden Separatorplatten.
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Bei den Ausführungsformen der 3d bis 3f werden die Separatorplatten in ihrem Randbereich mit einer größeren Höhe ausgeführt, so dass die Befeuchterzellen selbst eine konstante Dicke aufweisen. Hierzu werden die Blechlagen angrenzender metallischen Separatorplatten lokal mit größerer Prägetiefe versehen, während Kunststoff- und Kunststoff-Metall-Komposit-Separatorplatten mit höheren bzw. dickeren Kunststoffrandbereichen gespritzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Gasdiffusionslagen
- 2
- elektrochemisches System
- 3
- Perforation
- 4
- Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit
- 5
- Befeuchterzelle
- 6
- Separatorplatte
- 7
- Port, Zu-/Ableitung, Durchgangsöffnungen in den Separatorplatten
- 8
- Membran
- 9
- Durchgangsöffnungen in der Membran-Gasdiffusionslagen-Einheit
- 10
- Kanäle, Flowfield
- 11
- Verteilbereich
- 12
- Abdichtung des Flowfields
- 13
- Abdichtung der Zu-/Ableitungen
- 14
- Durchführungsbereich
- 15
- Randverstärkungsfolie
- A
- Feuchtgas
- B
- Trockengas
- C
- befeuchtetes Trockengas
- D
- Feuchtgas mit reduzierter Feuchtigkeit
- K
- Kompressor
- H
- Befeuchter
- S
- Brennstoffzellstapel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012004927 U1 [0029, 0043]
- DE 202016100670 [0029]
