DE202016105307U1

DE202016105307U1 - Strömungsplatte für einen Befeuchter

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Publication number: DE202016105307U1
Application number: DE202016105307.2U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2026-09-24
Also published as: US11631869B2; CN109982771A; JP2019533282A; CA3037709A1; CN109982771B; WO2018055132A1; DE112017004768A5; JP6790321B2; US20190305336A1

Abstract

Strömungsplatte (22; 47; 52) für einen Befeuchter (1), insbesondere für einen Befeuchter (1) zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für einen Befeuchter (1) für HVAC-Anwendungen, mit Strömungsfeldern (28, 29) an beiden einander gegenüberliegenden Flachseiten (21, 27) der Strömungsplatte (22; 47; 52) und mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (40, 48) im Bereich der Strömungsfelder (28, 29), wobei die Durchgangsöffnungen (40, 48) derart ausgebildet sind, dass eine senkrechte Projektion der Durchgangsöffnungen (40, 48) auf eine parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) ausgerichtete Ebene eine nicht verschwindende Fläche hat, so dass durch die Durchgangsöffnungen (40, 48) tretendes Gas wenigstens teilweise eine Durchmischung von in den Strömungsfeldern (28, 29) geführtem Gas senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) bewirkt.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Strömungsplatte für einen Befeuchter, der vorzugsweise zur Befeuchtung von Prozessgas dient, sowie auf einen Befeuchter mit einer solchen Strömungsplatte, beispielsweise in elektrochemischen Systemen. Bei den genannten elektrochemischen Systemen kann es sich beispielsweise um ein Brennstoffzellensystem, einen elektrochemischen Kompressor, einen Elektrolyseur oder Ähnliches handeln. 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.
Derartige Befeuchter werden beispielsweise für das Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen eingesetzt, die mit molekularem Wasserstoff und/ oder Sauerstoff bzw. Luft zur Stromerzeugung betrieben werden. Die für den Betrieb solcher Brennstoffzellen üblicherweise verwendeten Protonenaustauschmembranen benötigen zur Steigerung der Haltbarkeit und zur Verbesserung des Wirkungsgrades möglichst stabile Verhältnisse in Bezug auf die Temperatur und die Feuchtigkeit. Die der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgase werden aus diesem Grund üblicherweise in einem Befeuchter auf einen gewünschten stabilen Befeuchtungsgrad eingestellt. Ein solcher Befeuchter weist Strömungsplatten auf, die an ihren Flachseiten üblicherweise mit Strömungsfeldern zum Führen eines Gases versehen sind. Die Strömungsfelder können z. B. Kanalstrukturen aufweisen, wobei die Kanäle an ein Wassertransfermedium, typischerweise in Form einer wasserdurchlässigen Membran oder in Form eines Membranverbundes mit einer wasserdurchlässigen Membran, angrenzen.
Eine derartige Anordnung sieht üblicherweise mehrere gestapelte Strömungsplatten vor, zwischen denen jeweils Wassertransfermembranen oder Membranverbünde mit Wassertransfermembranen angeordnet sind. Neben einer Wassertransfermembran umfasst ein Membranverbund typischerweise wenigstens eine Gasdiffusionslage oder GDL als Stützmedium. Z. B. kann beiderseits der Transfermembran je eine GDL angeordnet sein. Die GDL können beispielsweise als Faservlies, als Gewebe oder Gelege ausgebildet sein. Eine wichtige Eigenschaft der Membranen besteht darin, dass sie gasundurchlässig sind, jedoch den Austausch von Feuchtigkeit zwischen der Wassertransfermembran und dem sie umgebenden Gas erlauben.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass jeweils auf einer Seite einer Wassertransfermembran oder eines Membranverbundes ein feuchteres Gas durch das Strömungsfeld einer benachbarten Strömungsplatte geführt wird und auf der gegenüberliegenden Seite der Wassertransfermembran ein Strömungsfeld einer zweiten Strömungsplatte von einem trockeneren Gas durchströmt wird. In diesem Fall gibt das feuchtere Gas auf der einen Seite der Wassertransfermembran oder des Membranverbundes Feuchtigkeit an die Membran ab, während auf der gegenüberliegenden Seite die Membran Feuchtigkeit an das trockenere Gas abgibt. Die beiderseits einer Wassertransfermembran angeordneten Strömungsfelder bilden zusammen mit der zwischen ihnen angeordneten Wassertransfermembran bzw. mit dem zwischen ihnen angeordneten Membranverbund jeweils eine Befeuchterzelle.
Die Wassertransfermembran verursacht bei der Herstellung der beschriebenen Befeuchter einen wesentlichen Teil der Kosten, so dass üblicherweise angestrebt wird, die Fläche der Wassertransfermembranen und damit jedenfalls auch die Fläche der Strömungsplatten zu minimieren. Der effizienten Führung des Gases durch die Strömungsfelder der Strömungsplatten kommt deshalb eine entscheidende Bedeutung zu, weil auf einer möglichst kleinen Austauschfläche zuverlässig ein vorgegebener Feuchtigkeitsgrad des Gases durch Transfer von Feuchtigkeit über die Membran eingestellt werden soll.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2014 006 480 U1 ist in diesem Zusammenhang eine Gestaltung der Kanäle innerhalb von Strömungsplatten eines Befeuchters bekannt, die einen günstigen Einfluss auf die Strömung des Gases ausübt und damit einen umfangreichen Feuchtigkeitsaustausch mit der Wassertransfermembran erlaubt.
Der vorliegenden Neuerung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, Strömungsplatten für einen Befeuchter zu schaffen, die auf möglichst noch effizientere Weise den Austausch von Feuchtigkeit über eine Wassertransfermembran ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsplatte für einen Befeuchter gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Befeuchter mit einer Vielzahl derartiger Strömungsplatten. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird also eine Strömungsplatte für einen Befeuchter, insbesondere für einen Befeuchter zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für einen Befeuchter für HVAC-Anwendungen. An ihren beiden einander gegenüberliegenden Flachseiten weist die Strömungsplatte Strömungsfelder zum Führen eines Fluids, insbesondere zum Führen eines Gases entlang der Strömungsplatte auf. Die Strömungsfelder können z. B. Kanalstrukturen aufweisen. Vorzugsweise im Bereich der Strömungsfelder sind in der Strömungsplatte eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen ausgebildet, und zwar derart, dass eine senkrechte Projektion der Durchgangsöffnun gen auf eine parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtete Ebene eine nicht verschwindende Fläche hat. Z. B. können die Durchgangsöffnungen in einem Abschnitt der Strömungsplatte ausgebildet sein, der mit der Planflächenebene der Strömungsplatte einen Winkel von weniger als 90 Grad und vorzugsweise mehr als 0 Grad einschließt. Es ist jedoch auch möglich, dass ein solcher Abschnitt in der Planflächenebene der Strömungsplatte oder parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte verläuft.
Auf diese Weise kann das durch die Durchgangsöffnungen von dem ersten Strömungsfeld in das zweite Strömungsfeld an der gegenüberliegenden Flachseite tretende Gas eine Durchmischung des in den Strömungsfeldern geführten Gases senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte hervorrufen. Dies fördert insbesondere die Ausbildung einer homogenen Feuchtigkeitsverteilung innerhalb des in den Strömungsfeldern entlang der Strömungsplatte geführten Gases senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte. Auf diese Weise kann die Wassertransferrate über eine angrenzende Membran maximiert werden. So können die Flächen der jeweils zwischen benachbarten Strömungsplatten angeordneten Membranen und damit die Kosten zur Herstellung des Befeuchtersystems erheblich reduziert werden.
Die Planflächenebene kann z. B. durch einen Rand der Strömungsplatte oder durch wenigstens drei nicht auf einer Geraden liegende Punkte auf dem Rand der Strömungsplatte festgelegt sein. Ebenso ist es denkbar als Planflächenebene der Strömungsplatte diejenige Ebene zu definieren, für die ein Abstandsintegral einen minimalen Wert annimmt, wobei das Abstandsintegral für eine gegebene Ebene gleich dem über die Oberfläche der Strömungsplatte integrierten Abstand zwischen der Strömungsplatte und dieser Ebene ist. Bei einer Vielzahl von gestapelten Strömungsplatten, z. B. in einem Befeuchter, sind die Planflächenebenen der Strömungsplatten üblicherweise senkrecht zur Stapelrichtung ausgerichtet.
Die Strömungsplatte kann aus Metall gebildet sein, vorzugsweise aus Edelstahl. Z. B. kann sie als Metallblech mit einer senkrecht zu ihrer Planflächenebene bestimmten Dicke von höchstens 150 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, besonders vorzugsweise von höchstens 80 µm ausgebildet sein. Metall hat einen vorteilhaft niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wodurch bei Temperaturschwankungen im Betrieb des Befeuchters auftretende mechanische Spannungen minimiert werden können. Dies kann insbesondere die Langlebigkeit der Wassertransfermembranen des Befeuchters verbessern. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Strömungsplatte einlagig ausgebildet ist. Dies verringert das Gewicht des Befeuchters und die zu seiner Herstellung aufzuwendenden Materialkosten. Zur Mikroabdichtung oder zum Korrosionsschutz kann die Strömungsplatte darüber hinaus vollständig oder wenigstens teilweise beschichtet sein, z. B. durch eine hydrophile oder eine hydrophobe Beschichtung.
Die Strömungsplatte kann ferner Leitstrukturen aufweisen, die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie ein im Bereich der Strömungsfelder entlang einer Flachseite der Strömungsplatte strömendes Gas durch die Durchgangsöffnungen hindurch zum Strömungsfeld oder in das Strömungsfeld an der jeweils gegenüberliegenden Flachseite der Strömungsplatte leiten. So kann eine Durchmischung des Gases senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte weiter verbessert werden.
Die Strömungsplatte und die Leitstrukturen können insbesondere einteilig ausgebildet, also aus einem Stück gebildet sein. Dies kann die Herstellung der Platte erheblich vereinfachen und die Herstellungskosten reduzieren. Beispielsweise können die Leitstrukturen in die Strömungsplatte eingeformt sein, z. B. durch Prägen oder durch Tiefziehen.
Die Leitstrukturen können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie an die Durchgangsöffnungen heranreichen. So können die Leitstrukturen das entlang der Oberfläche der Strömungsplatte strömende Gas besonders effizient durch die Durchgangsöffnungen hindurch an die gegenüberliegende Oberfläche der Platte leiten. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Leitstrukturen oder wenigstens einige der Leitstrukturen von den Durchgangsöffnungen beabstandet sind. Beispielsweise können die Leitstrukturen in diesem Fall derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie den Fluss des Gases wenigstens teilweise blockieren.
Die Durchgangsöffnungen oder wenigstens einige der Durchgangsöffnungen können in die Strömungsplatte eingestanzt sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Durchgangsöffnungen oder wenigstens einige der Durchgangsöffnungen durch Einschnitte in der Strömungsplatte gebildet sind, insbesondere durch nicht spanende Einschnitte. Z. B. können durch solche Einschnitte und durch Verformen eines an die Einschnitte angrenzenden Bereichs der Strömungsplatte zungenartige, stegartige, wenigstens abschnittweise domartige oder muschelhälftenartige Leitstrukturen in der Strömungsplatte ausgebildet sein. Zur Ausbildung der Durchgangsöffnungen können diese dann wenigstens bereichsweise aus der Planflächenebene der Strömungsplatte herausgebogen sein oder von der Strömungsplatte abstehen. Die Leitstrukturen oder wenigstens einige von ihnen können auch als Stege ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnungen können dann beispielsweise durch offene Seitenflanken dieser Stege gegeben sein.
Insbesondere können die Leitstrukturen mit der Planflächenebene der Strömungsplatte jeweils wenigstens abschnittweise einen Winkel von wenigstens 45 Grad, vorzugsweise von wenigstens 75 Grad, besonders vorzugsweise von wenigstens 80 Grad einschließen. Für eine senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte bestimmte Höhe H der Leitstrukturen kann gelten: 0,5·D ≤ H ≤ 10·D, vorzugsweise 2·D ≤ H ≤ 5·D, wobei D die Dicke der Strömungsplatte ist, z. B. deren Blechdicke.
Zum Abstützen einer insbesondere im Bereich des Strömungsfeldes an die Strömungsplatte angrenzenden Wasseraustauschmembran oder eines Membranverbundes können die Leitstrukturen an ihren von der Strömungsplatte abgewandten Enden wenigstens abschnittweise parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ausgerichtet sein und/oder zur Strömungsplatte hin umgebogen sein. So kann z. B. auch eine Beschädigung der Membran oder des Membranverbundes durch die Leitstrukturen vermieden werden.
Die Strömungsplatte kann Leitstrukturen an beiden Flachseiten der Strömungsplatte aufweisen. So kann die Strömungsplatte erste Leitstrukturen und zweite Leitstrukturen umfassen, wobei die ersten Leitstrukturen an der ersten Flachseite von der Strömungsplatte abstehen und wobei die zweiten Leitstrukturen an der der ersten Flachseite gegenüberliegenden zweiten Flachseite von der Strömungsplatte abstehen. Die ersten Leitstrukturen können dann das Gas von der ersten Flachseite durch die Durchgangsöffnungen hindurch zur zweiten Flachseite leiten, und die zweiten Leitstrukturen können das Gas von der zweiten Flachseite durch die Durchgangsöffnungen hindurch zur ersten Flachseite leiten. So kann die Durchmischung des Gases weiter befördert werden. Gewöhnlich werden dadurch das Strömungsverhalten und die Durchmischung des Gases verbessert.
Die Durchgangsöffnungen und/oder die Leitstrukturen können in periodischen Abständen zueinander angeordnet sein. Beispielsweise können die Durchgangsöffnungen und/oder die Leitstrukturen parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte entlang einer ersten Richtung und entlang einer zweiten Richtung in periodischen Abständen zueinander angeordnet sein. Ein entlang der ersten Richtung bestimmter erster Abstand benachbarter Durchgangsöffnungen und/oder benachbarter Leitstrukturen kann dann von einem entlang der zweiten Richtung bestimmten zweiten Abstand benachbarter Durchgangsöffnungen und/oder benachbarter Leitstrukturen verschieden sein. Die erste Richtung und die zweite Richtung können senkrecht aufeinander stehen, sie können aber auch einen Winkel von weniger als 90 Grad einschließen. Die von der ersten Flachseite der Strömungsplatte abstehenden ersten Leitstrukturen und die von der zweiten Flachseite der Strömungsplatte abstehenden zweiten Leitstrukturen können entlang der ersten Richtung und/oder entlang der zweiten Richtung alternierend angeordnet sein.
Zur weiteren Verbesserung einer Durchmischung von entlang der Plattenoberfläche geführtem Gas können die Leitstrukturen derart ausgebildet sein, dass ein parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte bestimmter Querschnitt der Leitstrukturen senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte jeweils veränderlich ist. So kann z. B. an den Leitstrukturen vorbeiströmendes Gas zumindest teilweise quer zur Planflächenebene der Strömungsplatte umgelenkt werden.
Zum Durchleiten eines zu befeuchtenden Gases und eines befeuchteten Gases oder zum Durchleiten eines zu entfeuchtenden Gases und eines entfeuchteten Gases durch die Strömungsplatte kann die Strömungsplatte ferner Durchlassöffnungen aufweisen, wobei die Durchlassöffnungen mit den Strömungsfeldern in Fluidverbindung sind. Die Durchlassöffnungen sind üblicherweise in den Randbereichen der Strömungsplatte angeordnet, insbesondere in den Eckbereichen. Wenn eine Mehrzahl von Strömungsplatten im Befeuchter gestapelt ist, bilden die Durchlassöffnungen Leitungen, die sich in Stapelrichtung durch den Stapel erstrecken. Über diese Leitungen können die Befeuchterzellen mit zu befeuchtendem Gas oder mit zu entfeuchtendem Gas versorgt werden. Ebenso kann entfeuchtetes oder befeuchtetes Gas über diese Leitungen aus den Befeuchterzellen abgeführt werden. Die Durchlassöffnungen sind somit gewöhnlich in Fluidverbindung mit Gasanschlüssen an einer Außenseite des Befeuchters, z. B. an wenigstens einer seiner Endplatten. Ein Querschnitt einer einzelnen Durchlassöffnung ist üblicherweise um ein Vielfaches größer als ein Querschnitt der einzelnen Durchgangsöffnungen, z. B. wenigstens um ein Zehnfaches oder wenigstens um ein Zwanzigfaches.
Zum Abdichten der Strömungsfelder und/oder der Durchlassöffnungen kann die Strömungsplatte ferner Dichtungsanordnungen aufweisen, z. B. in Gestalt von in die Strömungsplatte eingeformten Sicken. Insbesondere können die Dichtungsanordnungen um die Strömungsfelder und/oder um die Durchlassöffnungen herum angeordnet sein und diese einschließen. Zum Herstellen einer Fluidverbindung zwischen den Durchlassöffnungen und den Strömungsfeldern können die Dichtungsanordnungen bzw. die Sicken Durchbrüche aufweisen. Über diese Durchbrüche kann dann jeweils Gas durch die Dichtungsanordnungen hindurch von den Durchlassöffnungen in die Strömungsfelder oder von den Strömungsfeldern zu den Durchlassöffnungen geführt werden. Alternativ ist es auch möglich, Dichtungen in Form von Elastomerelementen auf- oder anzubringen.
Vorgeschlagen wird ferner ein Befeuchter, insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für HVAC-Anwendungen. Der Befeuchter weist eine Vielzahl von gestapelten Strömungsplatten der zuvor beschriebenen Art auf. Ein derartiger Befeuchter zeichnet sich bei großer Kompaktheit und bei geringen Herstellungskosten durch eine besonders große Effizienz aus.
Zwischen benachbarten Strömungsplatten des Stapels ist dann üblicherweise jeweils eine Wasseraustauschmembran oder ein Membranverbund angeordnet. Wie eingangs beschrieben kann der Membranverbund neben der Wasseraustauschmembran als Stützmedium wenigstens eine Gasdiffusionslage aufweisen, vorzugsweise zwei Gasdiffusionslagen, die beiderseits der Wasseraustauschmembran angeordnet sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Neuerung sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Befeuchter mit einer Vielzahl von gestapelten Befeuchterzellen;
2 ein elektrochemisches System mit dem Befeuchter gemäß 1;
3 aus dem Stand der Technik bekannte Strömungsplatten für einen Befeuchter und einen zwischen den Strömungsplatten angeordneten Membranverbund;
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte für einen Befeuchter;
5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte für einen Befeuchter;
6a eine Schnittdarstellung der Strömungsplatte gemäß 4;
6b und 6c Schnittdarstellungen der Strömungsplatte gemäß 5;
7 einen Ausschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte für einen Befeuchter; sowie
8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte für einen Befeuchter.
1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen blockförmigen Befeuchter 1 mit in der Stapelungsrichtung 2 gestapelten Befeuchterzellen 3, die jeweils wenigstens eine Strömungsplatte und eine Wasseraustauschmembran enthalten, wobei die Befeuchterzellen durch in Stapelungsrichtung 2 fluchtende Durchlassöffnungen miteinander verbunden sind, die in nach außen führenden Gasanschlüssen 4, 5, 6, 7 münden. Die Gasanschlüsse 4, 5, 6, 7 durchsetzen eine der Endplatten 8, 9 des Befeuchters 1. Die Gaseingänge sind dabei mit den Bezugszeichen 4 und 5 und die Gasausgänge mit den Bezugszeichen 6 und 7 versehen. Die entsprechenden Gasströmungsrichtungen sind mit A, B, C, D bezeichnet.
Die einzelnen, in dem Befeuchter 1 gestapelten Befeuchterzellen 3 weisen jeweils gleiche äußere Abmessungen auf, so dass durch das Stapeln ein Quader mit flachen Seitenflächen entsteht.
2 zeigt schematisch ein elektrochemisches System 10 mit einem Kompressor 11, einem Befeuchter 1 und einem Brennstoffzellenstapel 12, der beispielsweise eine Vielzahl von Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen aufweist. Hier und im Folgenden sind dabei wiederkehrende Merkmale jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Vom Kompressor 11 wird dem Befeuchter 1 über einen ersten Eingang 5 des Befeuchters 1 ein trockenes, zu befeuchtendes Prozessgas zugeführt, z. B. molekularer Wasserstoff oder molekularer Sauerstoff bzw. Luft. Das im Befeuchter 1 befeuchtete Prozessgas wird dann über einen ersten Ausgang 6 des Befeuchters 1 an den Brennstoffzellenstapel 12 abgegeben. Dort wird die chemische Energie unterschiedlicher Prozessgase mittels einer Vielzahl von Membranelektrodeneinheiten in elektrische Energie umgewandelt. Die Abluft mit dem bei der Reaktion der Prozessgase in dem Brennstoffzellenstapel 12 entstehenden Wasser wird dem Befeuchter 1 über einen zweiten Eingang 4 zugeführt und dient dort dem Befeuchten des trockenen Prozessgases, das dem Befeuchter 1 über den ersten Eingang 5 zugeführt wird, durch eine Wasseraustauschmembran hindurch. Das entfeuchtete Gas wird über einen zweiten Ausgang 7 des Befeuchters 1 beispielsweise an die Umgebung abgegeben.
Die Großbuchstaben aus 2 entsprechen den Gasströmungsrichtungen, die in 1 ebenso bezeichnet und im Text hierzu im Zusammenhang mit den Gasanschlüssen erläutert sind.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine aus dem Stand der Technik bekannte Befeuchterzelle 3, zu der in dem beschriebenen Fall zwei Strömungsplatten 13, 14 sowie eine zwischen diesen angeordnete Wasseraustauschmembran 15 und zwei die Wasseraustauschmembran 15 auf beiden Seiten stützende Stützmedien 16, 17 in Form von Faservliesen gehören.
Die Strömungsplatten 13, 14 weisen jeweils an wenigstens einer ihrer Seiten Kanäle auf, die durch Stege 14a, 14b voneinander getrennt sind. Die jeweils benachbarte Kanäle voneinander trennenden Stege 14a, 14b können an die Stützmedien 16, 17 stoßen, so dass jeweils allseitig umschlossene Kanäle für die Strömung eines Gases an der Strömungsplatte innerhalb der Befeuchterzelle 3 entstehen. Den einzelnen Strömungsplatten wird über die Durchlassöffnungen 18, 19 Gas zugeführt, das über weitere Durchlassöffnungen 20 nach dem Durchlaufen der jeweiligen Strömungsplatte wieder abgeführt werden kann. Jede Strömungsplatte 13, 14 weist hierzu im gezeigten Beispiel vier Durchlassöffnungen auf, von denen jeweils zwei einander gegenüberliegende jeder Flachseite der Strömungsplatte zugeordnet sind. Die beiden anderen Durchlassöffnungen sind jeweils der gegenüberliegenden Flachseite und den dort verlaufenden Kanälen zugeordnet, die in 3 nicht zu sehen sind. Die Strömungsplatten 13, 14 werden beim Zusammenbau eines Befeuchters derart gestapelt, dass die Durchlassöffnungen 18, 19 miteinander fluchten und eine Leitung zur Zuführung von Gas zu sämtlichen Strömungsplatten bilden. Auf der jeweils gegenüberliegenden Seite wird durch die fluchtenden Durchlassöffnungen eine weitere Leitung zur Ableitung von Gas von den Strömungsplatten 13, 14 gebildet.
Bei der in 3 gezeigten Befeuchterzelle 3 strömt Gas in den Kanälen der Strömungsplatten 13, 14, die beiderseits der Wasseraustauschmembran 15 angeordnet sind und die jeweils an die Membran 15 angrenzen, im Wesentlichen laminar. Dies kann dazu führen, dass sich entlang der Stapelrichtung 2, also senkrecht zu den Planflächenebenen der Strömungsplatten 13, 14 innerhalb der Kanäle ein stationärer Feuchtigkeitsgradient einstellt, und zwar derart, dass der Feuchtigkeitsgrad auf der feuchten Seite der Befeuchterzelle 3 zur Wasseraustauschmembran 15 hin abnimmt und dass der Feuchtigkeitsgrad auf der trockenen Seite der Befeuchterzelle 3 zur Wasseraustauschmembran 15 hin zunimmt. Da die Wassertransferrate über die Wasseraus tauschmembran 15 in etwa proportional mit der unmittelbar an der Membran 15 anliegenden Feuchtigkeitsdifferenz skaliert, führt die beschriebene Ausbildung eines stationären Feuchtigkeitsgradienten in den an die Membran 15 angrenzenden Kanälen zu einer ungewünschten Verringerung der Wassertransferrate. Diese in 3 dargestellte Lösung aus dem Stand der Technik stellt deshalb eine nichtoptimierte Ausführungsform dar, die durch die vorliegende Neuerung verbessert werden soll.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Flachseite 21 einer erfindungsgemäßen einlagigen Strömungsplatte 22 mit Durchlassöffnungen 23, 24, 25, 26. Die Strömungsplatte 22 ist als Edelstahlblech mit einer Blechdicke von z. B. weniger als 100 µm ausgebildet. Die Strömungsplatte 22 ist Teil des Plattenstapels des Befeuchters 1 aus 1. Die Durchlassöffnungen 23, 24, 25, 26 werden jeweils von Dichtungssicken 30, 31, 32, 33 nach außen und zum Inneren des Befeuchters 1 hin abgedichtet. Das Strömungsfeld 28 wird ferner von einer Dichtungssicke 54 umlaufen, die das Strömungsfeld 28 nach außen und zu den Durchlassöffnungen 23, 24, 25, 26 hin abdichtet. Die Dichtungssicken 30, 31, 32, 33 gehen in die Dichtungssicke 54 über. Die Durchlassöffnung 25 ist in Fluidverbindung mit dem Eingang 5, über den trockenes Gas aus dem Kompressor 11 in den Befeuchter 1 eingeleitet wird. Die Durchlassöffnung 23 ist in Fluidverbindung mit dem Ausgang 6 des Befeuchters 1 (siehe 1 und 2), über den befeuchtetes Gas aus dem Befeuchter 1 abgeleitet und dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird. Die Durchlassöffnung 26 ist in Fluidverbindung mit dem Eingang 4, über den Wasserdampf aus dem Brennstoffzellenstapel 12 in den Befeuchter 1 eingeleitet wird. Und die Durchlassöffnung 24 ist in Fluidverbindung mit dem Ausgang 7, über den entfeuchteter Wasserdampf aus dem Befeuchter 1 an die Umgebung abgegeben wird.
Eine zweite Flachseite 27 auf der vom Betrachter abgewandten Rückseite der Strömungsplatte 22 ist in 4 verdeckt. Zwischen den Durchlassöffnungen 25 und 23 ist auf der ersten Flachseite 21 ein erstes Strömungsfeld 28 angeordnet. Die Durchlassöffnungen 23, 25 sind mit dem ersten Strömungsfeld 28 über Durchbrüche 34, 35 in den Sickenanordnungen 30, 32, 54 in Fluidverbindung. In entsprechender Weise ist zwischen denselben Durchlassöffnungen 23 und 25 auf der zweiten Flachseite 27 ein zweites Strömungsfeld 29 angeordnet, das in 4 ebenfalls verdeckt ist. Auch dieses zweite Strömungsfeld 29 ist mit den Durchlassöffnungen 23, 25 in Fluidverbindung. Im Betrieb des Befeuchters 1 strömt zu befeuchtendes trockenes Gas, das der Strömungsplatte 22 über die Durchlassöffnung 25 zugeführt wird, durch die Strömungsfelder 28, 29 beiderseits der Strömungsplatte 22 hin zur Durchlassöffnung 23. Im Bereich der Strömungsfelder 28, 29 nimmt das zur Durchlassöffnung 23 strömende trockene Gas dann jeweils Feuchtigkeit über Wassertransfermembranen auf (nicht gezeigt), die beiderseits der Strömungsplatte 22 an die erste Flachseite 21 und an die zweite Flachseite 27 angrenzen. Gegebenenfalls können zwischen den Wassertransfermembranen und den Flachseiten 21, 27 der Strömungsplatte auch noch Gasdiffusionslagen angeordnet sein. Das derart im Bereich der Strömungsfelder 28, 29 befeuchtete Gas wird dann über die Durchlassöffnung 23 wieder von der Strömungsplatte 22 abgeführt. Die Durchlassöffnungen 24, 26 dienen dem Führen von feuchtem Gas bzw. zum Abführen von entfeuchtetem Gas und sind nicht in Fluidverbindung mit den Strömungsfeldern 28, 29 der Strömungsplatte 22, da die sie umgebenden Dichtungssicken 31, 33 keine Durchbrüche aufweisen.
Strömungsplatten des Befeuchters 1, die zum Führen feuchten Gases eingerichtet sind, können der Strömungsplatte 22 entsprechend ausgebildet sein. Im Unterschied zur in 4 gezeigten Strömungsplatte 22 sind dann jedoch die das feuchte Gas führenden Durchlassöffnungen mit den Strömungsfeldern an den Flachseiten der Strömungsplatte in Fluidverbindung, während die das trockene Gas führenden Durchlassöffnungen nicht mit den Strömungsfeldern in Fluidverbindung sind. Im Befeuchter 1 sind Strömungsplatten von der Art der Strömungsplatte 22 zum Führen trockenen Gases und Strömungsplatten zum Führen feuchten Gases alternierend angeordnet.
In 4 sind die Strömungsfelder 28, 29 an den beiden Flachseiten 21, 27 der Strömungsplatte 22 durch eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 40 miteinander in Fluidverbindung. So kann entlang der Flachseiten 21, 27 strömendes Gas auf seinem Weg von der Durchlassöffnung 25 zur Durchlassöffnung 23 durch die Durchgangsöffnungen 40 hindurch beständig vom ersten Strömungsfeld 28 in das zweite Strömungsfeld 29 und vom zweiten Strömungsfeld 29 in das erste Strömungsfeld 28 hinüberströmen. Der Übersichtlichkeit halber sind in 4 nur einige der Durchgangsöffnungen 40 mit Bezugszeichen bezeichnet. Die Durchgangsöffnungen 40 sind derart ausgebildet, dass eine senkrechte Projektion der Durchgangsöffnungen 40 auf die Planflächenebene der Strömungsplatte 22, die in 4 parallel zur Zeichenebene ausgerichtet ist, jeweils eine nicht verschwindende Fläche hat. Z. B. haben die Projektionen der Durchgangsöffnungen 40 auf die Planflächenebene der Strömungsplatte 22 jeweils eine Fläche von wenigstens 0,2 mm² oder von wenigstens 0,5 mm². Sie können aber auch deutlich größer sein, beispielsweise zwischen 1 mm² und 3,5 mm². Infolge dieser Ausbildung der Durchgangsöffnungen 40 hat das in den Strömungsfeldern 28, 29 strömende Gas beim Durchtritt durch die Durchgangsöffnungen 40 jeweils eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22, also entlang der Stapelrichtung 2 (siehe 1 und 3), so dass im Betrieb eine Durchmischung des Gases und der von dem Gas mitgeführten und im Bereich der Strömungsfelder 28, 29 aufgenommenen Feuchtigkeit senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22 erfolgt. Wie zuvor beschrieben bewirkt diese Durchmischung eine Steigerung der Wassertransferrate und der Effizienz des Befeuchters 1.
Die Durchgangsöffnungen 40 sind z. B. in die Strömungsplatte 22 eingestanzt. Es ist auch denkbar, dass die Durchgangsöffnungen 40 durch spanloses Einschneiden der Strömungsplatte 22 und durch anschließendes Verformen der Strömungsplatte 22 im Bereich der Einschnitte gebildet sind. Um das in den Strömungsfeldern 28, 29 strömende Gas gezielt schräg durch die Durchgangsöffnungen 40 hindurch auf die jeweils andere Flachseite 21, 27 zu leiten, weist die Strömungsplatte 22 an der ersten Flachseite 21 im Bereich des ersten Strömungsfeldes 28 eine Vielzahl von ersten Leitstrukturen 41a und an der zweiten Flachseite 27 im Bereich des zweiten Strömungsfeldes 29 eine Vielzahl von zweiten Leitstrukturen 41b auf.
Die Leitstrukturen 41a, 41b sind jeweils durch Verformungen in an die Durchgangsöffnung angrenzenden Bereichen der Strömungsplatte 22 ausgebildet. In 4 bilden die Leitstrukturen 41a, 41b jeweils abschnittweise domartige, sphärische oder muschelhälftenförmige Erhebungen, die beiderseits der Strömungsplatte 22 von den Flachseiten 21, 27 der Strömungsplatte 22 abstehen. Die ersten Leitstrukturen 41a stehen von der dem Betrachter zugewandten ersten Flachseite 21 ab, und die zweiten Leitstrukturen 41b stehen von der vom Betrachter abgewandten zweiten Flachseite 27 ab. Z. B. stehen die Leitstrukturen 41a, 41b jeweils um wenigstens das 1,5-Fache der Blechdicke von den Flachseiten 21, 27 ab.
Mit Ausnahme des Abschnitts der domartigen Leitstrukturen 41a, 41b, in dem diese an die Durchgangsöffnungen 40 angrenzen, haben die Leitstrukturen 41a, 41b parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22 einen in etwa kreisrunden Querschnitt, der sich senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22 mit zunehmendem Abstand von der Planflächenebene verändert, insbesondere verjüngt. So wird dem entlang der Flachseiten 21, 27 strömenden Gas zusätzlich eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22 aufgeprägt, was die Durchmischung des Gases in dieser Richtung zusätzlich befördert. Sowohl die Durchgangsöffnungen 40 als auch die Leitstrukturen 41a, 41b sind hier relativ zu den übrigen Strukturen der Strömungsplatte 22, wie etwa den Durchlassöffnungen 23, 25 nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt. In der Praxis werden sie eher kleiner sein. Die Größe in der Darstellung wurde zum leichteren Verständnis gewählt. Zudem sind die Durchgangsöffnungen 40 und die Leitstrukturen 41a, 41b maßstäblich dargestellt.
Die Durchgangsöffnungen 40 und die Leitstrukturen 41a, 41b sind entlang zweier senkrecht aufeinander stehender Richtungen 42, 43, die jeweils parallel zu den geraden Außenkanten der rechteckigen Strömungsplatte 22 ausgerichtet sind, gitterartig in regelmäßigen Abständen angeordnet. Hier sind die Abstände benachbarter Durchgangsöffnungen 40 und Leitstrukturen 41a, 41b in beiden Richtungen 42, 43 identisch. Bei alternativen Ausführungsformen können die Abstände in beiden Richtungen 42, 43 auch jeweils unterschiedlich sein. Zusätzlich weist die gitterförmige Anordnung der Durchgangsöffnungen 40 und der Leitstrukturen 41a, 41b weitere Symmetrierichtungen 44, 45 auf, die mit den zuvor genannten Richtungen 42, 43 jeweils einen Winkel von etwa 45 Grad einschließen. Auch entlang der Richtungen 44, 45 sind die Durchgangsöffnungen 40 und die Leitstrukturen 41a, 41b in regelmäßigen Abständen angeordnet. Insbesondere sind die ersten Leitstrukturen 41a und die zweiten Leitstrukturen 41b entlang der zu den Außenkanten der Strömungsplatten schräg verlaufenden Richtungen 44, 45 alternierend angeordnet. Diese Anordnung kann dazu beitragen, dass das zwischen den Strömungsfeldern 28, 29 wechselnde Gas in etwa in demselben Maße vom ersten Strömungsfeld 28 in das zweite Strömungsfeld 29 strömt wie in der umgekehrten Richtung. So kann vermieden werden, dass sich lokal Druckunterschiede aufbauen, die das Strömungsverhalten und die Durchmischung des Gases negativ beeinflussen könnten.
Zusätzlich ist zu erkennen, dass die Durchgangsöffnungen 40 entlang der Richtung 42 bzw. in etwa entlang der Strömungsrichtung des Gases von der als Gaseinlass dienenden Durchlassöffnung 25 zur als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 jeweils an entgegengesetzten Enden der ersten Leitstrukturen 41a und der zweiten Leitstrukturen 41b angeordnet sind. So bilden die Durchgangsöffnungen 40 entlang der Richtung 42 jeweils dasjenige Ende der ersten Leitstrukturen 41a, das der als Gaseinlass dienenden Durchlassöffnung 25 zugewandt ist. Dagegen bilden die Durchgangsöffnungen 40 entlang der Richtung 42 jeweils dasjenige Ende der zweiten Leitstrukturen 41b, das der als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 zugewandt ist. Bei alternativen Ausführungsformen sind auch andere Anordnungen der Durchgangsöffnungen 40 relativ zu den Leitstrukturen 41a, 41b denkbar. Z. B. könnten die Durchgangsöffnungen 40 ebenfalls an dasjenige Ende der ersten Leitstrukturen 41a und der zweiten Leitstrukturen 41b angrenzen, das der als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 zugewandt ist (siehe 7).
Zur Veranschaulichung der Geometrie der ersten Leitstrukturen 41a an der ersten Flachseite 21 der Strömungsplatte 22 aus 4 ist in 6a ein Schnitt durch die Strömungsplatte 22 entlang der Schnittlinie B-B gezeigt. Hervorgehoben sind die erste Flachseite 21, die zweite Flachseite 27, die entlang der Richtung 42 in regelmäßigen Abständen angeordneten Durchgangsöffnungen 40 und die entlang der Richtung 42 in regelmäßigen Abständen angeordneten ersten Leitstrukturen 41a, die jeweils unmittelbar an die Durchgangsöffnungen 40 heranreichen. Die Durchgangsöffnungen 40 stellen gut erkennbar eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Strömungsfeld 28 an der ersten Flachseite 21 und dem zweiten Strömungsfeld 29 an der zweiten Flachseite 27 her. Die ersten Leitstrukturen 41a stehen von der ersten Flachseite 21 ab, und zwar in etwa um das Dreifache der Blechdicke. Durch die Konvexität der ersten Leistrukturen 41a in Bezug auf die Flachseite 21 wird dem von dem ersten Strömungsfeld 28 an der ersten Flachseite 21 in das zweite Strömungsfeld 29 an der zweiten Flachseite 29 strömenden Gas beim Durchtreten durch die an die ersten Leitstrukturen 41a angrenzenden Durchgangsöffnungen 40 eine Geschwindigkeitskomponente aufgeprägt, die senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 22 ausgerichtet ist. Die Strömung des Gases durch die Durchgangsöffnungen 40 und die Leitwirkung der ersten Leistrukturen 41a ist in 6a beispielhaft durch Strömungspfeile 46 hervorgehoben.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strömungsplatte 47. Schnitte durch die Strömungsplatte 47 entlang der in 5 gezeigten Schnittlinien C-C und D-D sind in den 6b und 6c dargestellt, wobei die Schnittebene jeweils senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 47 ausgerichtet ist.
Die Strömungsplatte 47 gemäß 5 unterscheidet sich von der Strömungsplatte 22 gemäß 4 durch eine teilweise andersartige Ausgestaltung der Strömungsfelder 28, 29 an den Flachseiten 21, 27. Neben den im Zusammenhang mit der Strömungsplatte 22 beschriebenen in etwa kreisförmigen Durchgangsöffnungen 40 und den domartigen oder muschelhälftenförmigen Leitstrukturen 41a, 41b weist die Strömungsplatte 47 zusätzlich längliche, an den Enden abgerundete Durchgangsöffnungen 48 und an die Durchgangsöffnungen 48 angrenzende Leitstrukturen 49 auf. Über die Durchgangsöffnungen 48 sind die Strömungsfelder 28, 29 an den einander gegenüberliegenden Flachseiten 21, 27 der Strömungsplatte 47 in Fluidverbindung miteinander. Und wie bei den Durchgangsöffnungen 40 hat eine Projektion der Durchgangsöffnungen 48 auf die Planflächenebene der Strömungsplatte 47 eine nicht verschwindende Fläche. In 5 ist die Planflächenebene der Strömungsplatte 47 parallel zur Zeichenebene ausgerichtet. Abhängig von einer Längsausdehnung der Durchgangsöffnungen 48 kann diese Fläche z. B. wenigstens 1 mm², wenigstens 2 mm² oder wenigstens 3 mm² betragen. Bei sehr breiten Durchgangsöffnungen 48 kann diese Fläche durchaus mehr als 10 mm² oder gar mehr als 20 mm² betragen. Typische Breiten liegen im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm, es sind jedoch auch geringere oder größere Breiten, etwa 0,5 mm oder beispielsweise 3,5 mm möglich.
Wie die Durchgangsöffnungen 40 können die Durchgangsöffnungen 48 in das Metallblech, aus dem die Strömungsplatte 47 gebildet ist, eingestanzt sein.
Alternativ können die Durchgangsöffnungen 48 durch Einschnitte, insbesondere nicht spanende Einschnitte, in die Strömungsplatte 47 gebildet sein. Z. B. bilden die einteilig mit der Strömungsplatte 47 ausgebildeten und in die Strömungsplatte 47 eingeformten Leitstrukturen 49 Stege mit einer offenen Seitenflanke entlang einer Längsseite. Bei der in der 5 gezeigten Ausführungsform stehen die Leitstrukturen 49 um wenigstens drei Blechdicken von der ersten Flachseite 21 ab. Die Durchgangsöffnungen 48 und die die Leitstrukturen 49 bildenden Stege erstrecken sich in Längsrichtung über eine Länge, die z. B. wenigstens 15 Prozent, wenigstens 30 Prozent oder wenigstens 70 Prozent einer Länge der kürzeren Längsseite der rechteckförmigen Strömungsplatte 47 beträgt. Diese Stege können wiederum wenigstens abschnittweise in Bezug auf die Flachseite 21 eine konvexe Wölbung aufweisen, so dass die Leitstrukturen 49 dem Gas beim Durchströmen der Durchgangsöffnungen 48 eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 47 verleihen.
Die Durchgangsöffnungen 48 und die Leitstrukturen 49 sind in etwa quer zur Strömungsrichtung des Gases ausgerichtet, das im Betrieb des Befeuchters 1 von der als Gaseinlass dienenden Durchlassöffnung 25 entlang der Flachseiten 21, 27 durch die Strömungsfelder 28, 29 zur als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 strömt. Insbesondere sind die länglichen Durchgangsöffnungen 48 und die länglichen Leitstrukturen 49 in etwa quer zur kürzesten Verbindungsgeraden zwischen der Durchlassöffnung 25 und der Durchlassöffnung 23 ausgerichtet. Beispielsweise schließen die länglichen Durchgangsöffnungen 48 und die länglichen Leitstrukturen 49 mit dieser kürzesten Verbindungsgeraden zwischen der Durchlassöffnung 25 und der Durchlassöffnung 23 einen Winkel ein, der hier zwischen 60 Grad und 70 Grad liegt. Prinzipiell kann der Winkel frei gewählt werden und liegt vorzugsweise über 60 Grad. Insbesondere hängt die Größe des Winkels davon ab, ob eine Durchgangsöffnung 48 bzw. Leitstruktur 49 parallel zu einer Außenkante oder schräg zu beiden Außenkanten der Strömungsplatte angeordnet ist sowie von der Außengeometrie der Strömungsplatte. Aufgrund dieser Ausbildung der Durchgangsöffnungen 48 und der Leitstrukturen 49 kann das von der Durchlassöffnung 25 zur Durchlassöffnung 23 strömende Gas besonders effizient vom ersten Strömungsfeld 28 an der ersten Flachseite 21 in das zweite Strömungsfeld 29 an der zweiten Flachseite geleitet werden, oder umgekehrt. Zusätzlich weist die Strömungsplatte Leitstrukturen 50 auf, die jeweils domartig oder sphärenartig von der zweiten Flachseite 27 der Strömungsplatte abstehen, z. B. wenigstens um das Dreifache der Blechdicke. Parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte 47 haben die Leitstrukturen 50 einen runden Querschnitt, der mit zunehmendem Abstand von der Planflächenebene abnimmt.
7 zeigt einen Ausschnitt einer Strömungsplatte 51, bei der es sich um eine leicht abgewandelte Variante der Strömungsplatte 22 aus 4 handelt. Die Strömungsfelder 28, 29 der Strömungsplatte 51 aus 7 unterscheiden sich von den Strömungsfeldern 28, 29 der Strömungsplatte 22 aus 4 dadurch, dass die Durchgangsöffnungen 40 jeweils an diejenigen Enden der Leitstrukturen 41a, 41b angrenzen, die der als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 zugewandt sind (nicht gezeigt). 7 zeigt zudem eine Schnittdarstellung der Strömungsplatte 51 entlang der Schnittlinie A-A, wobei die Schnittebene wiederum senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte 51 ausgerichtet ist, die wie zuvor parallel zur Zeichenebene verläuft. Wiederum ist zu erkennen, dass die Durchgangsöffnungen 40 und die Leitstrukturen 41a, 41b entlang der Richtungen 42, 45 periodisch angeordnet sind. Die Abstände unmittelbar benachbarter Durchgangsöffnungen 40 und unmittelbar benachbarter Leitstrukturen 41a, 41b sind dabei entlang der Richtung 42 größer als entlang der Richtung 45.
8 zeigt eine Strömungsplatte 52, die eine weitere Abwandlung der Strömungsplatte 22 aus 4 ist. Die Strömungsplatte 52 aus 8 unterscheidet sich von der Strömungsplatte 22 gemäß 4 dadurch, dass die Strömungsfelder 28, 29 an den Flachseiten 21, 27 neben den Durchgangsöffnungen 40 und den Leitstrukturen 41a, 41b Kanalstrukturen 53 aufweisen. Die Kanalstrukturen 53 sind in das Metallblech eingeformt, aus dem die Strömungsplatte 52 gebildet ist, z. B. durch Prägen oder durch Tiefziehen. Die Kanalstrukturen 53 sind eingerichtet, Gas von der als Gaseinlass dienenden Durchlassöffnung 25 zur als Gasauslass dienenden Durchlassöffnung 23 durch die Strömungsfelder 28, 29 zu leiten. Weiterhin sind in der Strömungsplatte 52 einige Leitstrukturen 41a‘ 41b‘ relativ zu den übrigen Leitstrukturen 41a, 41b um 90° gedreht angeordnet ebenso wie die im Bereich dieser Leitstrukturen 41a‘, 41b‘ angeordneten Durchgangsöffnungen 40‘ um 90° zu den übrigen Durchgangsöffnungen 40 gedreht sind. Hierdurch können die Gasströme ge zielt zu bzw. von den äußeren Bereichen der Strömungsfelder 28, 29 geleitet werden. Ebenso wäre es möglich, verschiedene Durchgangsöffnungen und Leitstrukturen unter vielen unterschiedlichen Winkeln relativ zueinander anzuordnen, um eine optimale Strömung und Durchmischung der Gasströme zu erzielen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202014006480 U1 [0006]

Claims

Strömungsplatte (22; 47; 52) für einen Befeuchter (1), insbesondere für einen Befeuchter (1) zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für einen Befeuchter (1) für HVAC-Anwendungen, mit Strömungsfeldern (28, 29) an beiden einander gegenüberliegenden Flachseiten (21, 27) der Strömungsplatte (22; 47; 52) und mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen (40, 48) im Bereich der Strömungsfelder (28, 29), wobei die Durchgangsöffnungen (40, 48) derart ausgebildet sind, dass eine senkrechte Projektion der Durchgangsöffnungen (40, 48) auf eine parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) ausgerichtete Ebene eine nicht verschwindende Fläche hat, so dass durch die Durchgangsöffnungen (40, 48) tretendes Gas wenigstens teilweise eine Durchmischung von in den Strömungsfeldern (28, 29) geführtem Gas senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) bewirkt.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 1 mit Leitstrukturen (41a, 41b, 49), die eingerichtet sind, im Bereich der Strömungsfelder (28, 29) entlang der Plattenoberflächen fließendes Gas durch die Durchgangsöffnungen (40, 48) hindurch zum Strömungsfeld (28, 29) oder in das Strömungsfeld (28, 29) an der jeweils gegenüberliegenden Flachseite (21, 27) der Strömungsplatte (22; 47; 52) zu leiten und so eine Durchmischung des Gases senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) zu befördern.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsplatte (22; 47; 52) aus Metall gebildet ist, vorzugsweise aus Edelstahl.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Metallblech mit einer senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) bestimmten Dicke von höchstens 150 µm, vorzugsweise von höchstens 100 µm, besonders vorzugsweise von höchstens 80 µm ausgebildet ist.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsplatte (22; 47; 52) einlagig ausgebildet ist.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Strömungsplatte (22; 47; 52) und die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) einteilig ausgebildet sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) in die Strömungsplatte (22; 47; 52) eingeformt, insbesondere eingeprägt sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) jeweils an die Durchgangsöffnungen (40, 48) heranreichen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchgangsöffnungen (40, 48) wenigstens teilweise in die Strömungsplatte (22; 47; 52) eingestanzt sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchgangsöffnungen (40, 48) durch Einschnitte in der Strömungsplatte (22; 47; 52) gebildet sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 10, wobei die Einschnitte zungenartige, stegartige oder muschelartige Leitstrukturen (41a, 41b, 49) bilden, die zur Ausbildung der Durchgangsöffnungen (40, 48) wenigstens bereichsweise aus der Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) herausgebogen sind, und zwar vorzugsweise wenigstens teilweise senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52).
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) mit der Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) jeweils wenigstens abschnittweise einen Winkel von wenigstens 45 Grad, vorzugsweise von wenigstens 75 Grad, besonders vorzugsweise von wenigstens 80 Grad einschließen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die Leitstrukturen (49) als Stege ausgebildet sind, die jeweils eine offene Seitenflanke aufweisen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) an ihren von der Strömungsplatte (22; 47; 52) abstehenden Enden zum Abstützen einer Wasseraustauschmembran (15) oder eines Membranverbundes wenigstens abschnittweise parallel zur Planflächenebene ausgerichtet sind und/oder zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) hin umgebogen sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 14 mit ersten Leitstrukturen (41a, 49), die an der ersten Flachseite (21) der Strömungsplatte (22; 47; 52) von der Strömungsplatte (22; 47; 52) abstehen, und mit zweiten Leitstrukturen (41b), die an der der ersten Flachseite (21) gegenüberliegenden zweiten Flachseite (27) der Strömungsplatte (22; 47; 52) von der Strömungsplatte (22; 47; 52) abstehen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchgangsöffnungen (40, 48) und/oder die Leitstrukturen (41a, 41b) in periodischen Abständen zueinander angeordnet sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 16, wobei die Durchgangsöffnungen (40) und/oder die Leitstrukturen (41a, 41b) parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) entlang einer ersten Richtung (42) und entlang einer zweiten Richtung (43, 45) in periodischen Abständen zueinander angeordnet sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 17, wobei ein entlang der ersten Richtung (42) bestimmter erster Abstand benachbarter Durchgangsöffnungen (40) und/oder benachbarter Leitstrukturen (41a, 41b) von einem entlang der zweiten Richtung (45) bestimmten zweiten Abstand benachbarter Durchgangsöffnungen (40) und/oder benachbarter Leitstrukturen (41a, 41b) verschieden ist.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die erste Richtung (42) und die zweite Richtung (43) senkrecht aufeinander stehen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach Anspruch 15 und nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die von der ersten Flachseite (21) der Strömungsplatte (22; 47; 52) abstehenden ersten Leitstrukturen (41a, 49) und die von der zweiten Flachseite (27) der Strömungsplatte (22; 47; 52) abstehenden zweiten Leitstrukturen (41b) entlang der ersten Richtung (42) und/oder entlang der zweiten Richtung (45) alternierend angeordnet sind.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsfelder (28, 29) Kanalstrukturen (53) aufweisen.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der Ansprüche 2 bis 22, wobei die Leitstrukturen (41a, 41b, 49) zur Verbesserung einer Durchmischung von entlang der Plattenoberfläche geführtem Gas derart ausgebildet sind, dass ein parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) bestimmter Querschnitt der Leitstrukturen (41a, 41b, 49) entlang einer Richtung senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte (22; 47; 52) jeweils veränderlich ist.
Strömungsplatte (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Durchlassöffnungen (23, 24, 25, 26) zum Durchleiten eines zu befeuchtenden Gases und eines befeuchteten Gases oder eines zu entfeuchtenden Gases und eines entfeuchteten Gases durch die Strömungsplatte (22; 47; 52), wobei die Durchlassöffnungen (23, 24, 25, 26) mit den Strömungsfeldern (28, 29) in Fluidverbindung sind.
Befeuchter (1), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für HVAC-Anwendungen, mit einer Vielzahl von gestapelten Strömungsplatten (22; 47; 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Befeuchter (1), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für ein elektrochemisches System oder für HVAC-Anwendungen, mit einer Vielzahl von gestapelten Strömungsplatten (22; 47; 52) nach Anspruch 23, wobei die Durchlassöffnungen (23, 24, 25, 26) der Strömungsplatten (22; 47; 52) des Stapels fluchtend angeordnet sind und Leitungen zum Führen eines zu befeuchtenden Gases, eines befeuchteten Gases, eines zu entfeuchtenden Gases und eines entfeuchteten Gases durch den Stapel bilden.
Befeuchter (1) nach einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei zwischen benachbarten Strömungsplatten (22; 47; 52) des Stapels jeweils eine Wasseraustauschmembran (15) oder ein Membranverbund angeordnet ist, wobei der Membranverbund eine Wasseraustauschmembran (15) und wenigstens eine Gasdiffusionslage (16, 17) aufweist, vorzugsweise zwei Gasdiffusionslagen (16, 17), die beiderseits der Wasseraustauschmembran (15) angeordnet sind.